Cykl komórkowy: definicja, fazy, regulacje i fakty

Podział komórek ma zasadnicze znaczenie dla wzrostu i zdrowia organizmu. Prawie wszystkie komórki biorą udział w podziale komórkowym; niektórzy robią to wielokrotnie w ciągu swojego życia. Rosnący organizm, taki jak ludzki embrion, wykorzystuje podział komórek do zwiększenia rozmiaru i specjalizacji poszczególnych narządów. Nawet dojrzałe organizmy, takie jak dorosły człowiek na emeryturze, wykorzystują podział komórek do utrzymania i naprawy tkanki ciała. Cykl komórkowy opisuje proces, w którym komórki wykonują wyznaczone zadania, rosną i dzielą się, a następnie rozpoczynają proces ponownie z dwiema powstałymi komórkami potomnymi. W XIX wieku postęp technologiczny w mikroskopii umożliwił naukowcom ustalenie, że wszystkie komórki powstają z innych komórek w procesie podziału komórek. To ostatecznie obaliło rozpowszechnione wcześniej przekonanie, że komórki powstają spontanicznie z dostępnej materii. Cykl komórkowy jest odpowiedzialny za całe życie. Niezależnie od tego, czy dzieje się to w komórkach glonów przylegających do skały w jaskini, czy w komórkach skóry na ramieniu, kroki są takie same.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Podział komórek ma kluczowe znaczenie dla wzrostu i zdrowia organizmu. Cykl komórkowy to powtarzający się rytm wzrostu i podziału komórek. Składa się z etapów: interfaza i mitoza oraz ich podfazy i proces cytokinezy. Cykl komórkowy jest ściśle regulowany przez substancje chemiczne w punktach kontrolnych na każdym etapie, aby upewnić się, że mutacje nie występują, a wzrost komórek nie następuje szybciej niż to, co jest zdrowe dla otoczenia tkanka.

Cykl komórkowy składa się zasadniczo z dwóch faz. Pierwsza faza to interfaza. Podczas interfazy komórka przygotowuje się do podziału komórkowego w trzech podfazach zwanych sol₁ faza, Faza S i sol₂ faza. Pod koniec interfazy wszystkie chromosomy w jądrze komórkowym zostały zduplikowane. Przez wszystkie te etapy komórka nadal wykonuje swoje codzienne funkcje, niezależnie od tego, jakie one są. Interfaza może trwać dni, tygodnie, lata – a w niektórych przypadkach przez całe życie organizmu. Większość komórek nerwowych nigdy nie opuszcza G₁ etap interfazy, więc naukowcy wyznaczyli specjalny etap dla komórek takich jak one zwany G₀. Ten etap jest przeznaczony dla komórek nerwowych i innych komórek, które nie przejdą w proces podziału komórek. Czasami dzieje się tak, ponieważ po prostu nie są do tego gotowe lub nie są do tego przeznaczone, jak komórki nerwowe lub komórki mięśniowe, i nazywa się to stanem spoczynku. Innym razem są zbyt stare lub zniszczone, co nazywa się stanem starzenia. Ponieważ komórki nerwowe są oddzielone od cyklu komórkowego, ich uszkodzenie jest w większości nieodwracalne, w przeciwieństwie do a złamana kość, a to jest powód, dla którego osoby z urazami kręgosłupa lub mózgu często mają trwałe niepełnosprawności.

Druga faza cyklu komórkowego nazywa się mitoza lub faza M M. Podczas mitozy jądro dzieli się na dwie części, wysyłając po jednej kopii każdego zduplikowanego chromosomu do każdego z dwóch jąder. Są cztery etapy mitozy, a to są profaza, metafaza, anafaza i telofaza. Mniej więcej w tym samym czasie, w którym dochodzi do mitozy, zachodzi inny proces, zwany cytokineza, który jest prawie osobną fazą. Jest to proces, w którym cytoplazma komórki i wszystko inne w niej się dzieli. W ten sposób, gdy jądro dzieli się na dwie części, w otaczającej komórce znajdują się dwie części, które pasują do każdego jądra. Po zakończeniu podziału błona plazmatyczna zamyka się wokół każdej nowej komórki i ściska, całkowicie oddzielając dwie nowe identyczne komórki od siebie. Natychmiast obie komórki ponownie znajdują się w pierwszym stadium interfazy: G₁.

sol₁ oznacza fazę przerwy 1. Termin „luka” pochodzi z czasów, gdy naukowcy odkrywali podział komórek pod mikroskopem i uznali etap mitotyczny za bardzo ekscytujący i ważny. Zaobserwowali podział jądra i towarzyszący mu proces cytokininowy jako dowód, że wszystkie komórki pochodzą z innych komórek. etapy interfazyjednak wydawał się statyczny i nieaktywny. Dlatego uważali je za okresy odpoczynku lub przerwy w aktywności. Prawda jest jednak taka, że ​​G₁ – i G₂ pod koniec interfazy – to okresy tętniącego życiem dla komórki, w których komórka powiększa się i przyczynia się do dobrego samopoczucia organizmu w taki sposób, w jaki się „urodziła”. Oprócz swoich regularnych funkcji komórkowych, komórka buduje cząsteczki, takie jak białka i kwas rybonukleinowy (RNA).

Jeśli DNA komórki nie jest uszkodzone i komórka wystarczająco urosła, przechodzi do drugiego etapu interfazy, zwanego Faza S. To skrót od fazy syntezy. Podczas tej fazy, jak sama nazwa wskazuje, komórka poświęca dużo energii na syntezę cząsteczek. W szczególności komórka replikuje swoje DNA, powielając swoje chromosomy. Ludzie mają 46 chromosomów w swoich komórkach somatycznych, które nie są komórkami rozrodczymi (plemniki i komórki jajowe). 46 chromosomów jest zorganizowanych w 23 pary homologiczne, które są ze sobą połączone. Każdy chromosom w parze homologicznej nazywany jest homologiem drugiego. Kiedy chromosomy są duplikowane w fazie S, są one bardzo ciasno zwinięte wokół białka histonowego nici zwane chromatyną, co sprawia, że ​​proces duplikacji jest mniej podatny na błędy replikacji DNA, lub mutacja. Każdy z dwóch nowych identycznych chromosomów jest teraz nazywany chromatydy. Nici histonów łączą ze sobą dwie identyczne chromatydy, tworząc rodzaj kształtu X. Punkt, w którym są one związane, nazywa się centromerem. Ponadto chromatydy są nadal połączone z ich homologiem, który jest teraz również parą chromatyd w kształcie litery X. Każda para chromatyd nazywana jest chromosomem; praktyczna zasada jest taka, że ​​do jednego centromeru nigdy nie jest dołączony więcej niż jeden chromosom.

Ostatnim etapem interfazy jest sol₂, lub Faza przerwy 2. Ta faza została nazwana z tych samych powodów co G₁. Tak jak podczas G₁ i faza S, komórka pozostaje zajęta swoimi typowymi zadaniami przez cały etap, nawet gdy kończy pracę interfazy i przygotowuje się do mitozy. Aby przygotować się do mitozy, komórka dzieli swoje mitochondria, a także chloroplasty (jeśli je posiada). Zaczyna syntetyzować prekursory włókien wrzeciona, zwane mikrotubulami. Tworzy je poprzez replikację i układanie centromerów par chromatyd w swoim jądrze. Włókna wrzecionowe będą miały kluczowe znaczenie w procesie podziału jądra komórkowego podczas mitozy, kiedy chromosomy będą musiały zostać rozerwane na dwa oddzielające się jądra; upewnienie się, że prawidłowe chromosomy dostaną się do właściwego jądra i pozostaną w parze z prawidłowym homologiem, ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania mutacjom genetycznym.

Markery dzielące między fazami cyklu komórkowego a podfazami interfazy i mitozy to sztuczki, które naukowcy wykorzystują do opisania procesu podziału komórki. W naturze proces jest płynny i niekończący się. Pierwszy etap mitozy nazywa się profaza. Zaczyna się od chromosomów w stanie, w jakim się znajdowały, na końcu G₂ etap interfazy, replikowany z siostrzanymi chromatydami połączonymi przez centromery. Podczas profazy nić chromatyny kondensuje, co pozwala chromosomom (czyli każdej parze siostrzanych chromatyd) stać się widocznymi pod mikroskopem świetlnym. Centromery nadal rosną w mikrotubule, które tworzą włókna wrzeciona. Pod koniec profazy błona jądrowa rozpada się, a włókna wrzeciona łączą się, tworząc sieć strukturalną w cytoplazmie komórki. Ponieważ chromosomy unoszą się teraz swobodnie w cytoplazmie, włókna wrzeciona są jedynym wsparciem, które powstrzymuje je przed unoszeniem się na manowce.

Komórka przechodzi w metafazę, gdy tylko błona jądrowa rozpuści się. Włókna wrzeciona przenoszą chromosomy na równik komórki. Ta płaszczyzna jest znana jako równik wrzeciona lub płyta metafazowa. Nie ma tam nic namacalnego; jest to po prostu płaszczyzna, na której ustawiają się wszystkie chromosomy i która przecina komórkę poziomo lub pionowo, w zależności od tego, jak oglądasz lub wyobrażasz sobie komórkę (aby uzyskać wizualną reprezentację tego, zobacz Zasoby). U ludzi występuje 46 centromerów, a każdy z nich jest dołączony do pary sióstr chromatyd. Liczba centromerów zależy od organizmu. Każdy centromer jest połączony z dwoma włóknami wrzecionowymi. Dwa włókna wrzeciona rozchodzą się po opuszczeniu centromeru, tak że łączą się ze strukturami na przeciwległych biegunach komórki.

Komórka przechodzi w anafazę, która jest najkrótszą z czterech faz mitozy. Włókna wrzeciona, które łączą chromosomy z biegunami komórki, skracają się i oddalają w kierunku odpowiednich biegunów. W ten sposób rozrywają chromosomy, do których są przyłączone. Centromery również podzieliły się na dwie części, gdy jedna połowa podróżuje z każdą siostrą chromatydy w kierunku przeciwnego bieguna. Ponieważ każda chromatyda ma teraz swój centromer, nazywana jest ponownie chromosomem. Tymczasem różne włókna wrzeciona przymocowane do obu biegunów wydłużają się, powodując wzrost odległości między dwoma biegunami komórki, dzięki czemu komórka spłaszcza się i wydłuża. Proces anafazy przebiega w taki sposób, że na końcu każda strona komórki zawiera po jednej kopii każdego chromosomu.

Telofaza to czwarty i ostatni etap mitozy. Na tym etapie niezwykle ciasno upakowane chromosomy – które zostały skondensowane w celu zwiększenia dokładności replikacji – same się rozwijają. Włókna wrzeciona rozpuszczają się, a organelle komórkowe zwane retikulum endoplazmatyczne syntetyzuje nowe błony jądrowe wokół każdego zestawu chromosomów. Oznacza to, że komórka ma teraz dwa jądra, każde z pełnym genomem. Mitoza jest kompletna.

Teraz, gdy jądro zostało podzielone, reszta komórki również musi się podzielić, aby dwie komórki mogły się rozdzielić. Ten proces jest znany jako cytokineza. Jest to proces odrębny od mitozy, choć często z mitozą współwystępuje. Inaczej dzieje się w komórkach zwierzęcych i roślinnych, ponieważ tam, gdzie komórki zwierzęce mają tylko błonę komórkową plazmatyczną, komórki roślinne mają sztywną ścianę komórkową. W obu rodzajach komórek w jednej komórce znajdują się teraz dwa różne jądra. W komórkach zwierzęcych w środku komórki tworzy się kurczliwy pierścień. Jest to pierścień mikrowłókien, który zaciska się wokół komórki, napinając błonę plazmatyczną pośrodku jak gorset, aż tworzy tzw. bruzdę. Innymi słowy, pierścień kurczliwy powoduje, że komórka tworzy kształt klepsydry, który staje się coraz bardziej wyraźny, aż komórka rozpadnie się na dwie oddzielne komórki. W komórkach roślinnych organelle zwane kompleksem Golgiego tworzą pęcherzyki, które są związanymi z błoną kieszeniami płynu wzdłuż osi dzielącej komórkę między dwoma jądrami. Pęcherzyki te zawierają polisacharydy potrzebne do utworzenia płytki komórkowej, a ostatecznie płytki komórkowej łączy się i staje się częścią ściany komórkowej, która kiedyś mieściła pierwotną pojedynczą komórkę, ale teraz jest domem dla dwóch komórki.

Cykl komórkowy wymaga wielu regulacji, aby upewnić się, że nie przebiega bez spełnienia pewnych warunków wewnątrz i na zewnątrz komórki. Bez tej regulacji istniałyby niekontrolowane mutacje genetyczne, niekontrolowany wzrost komórek (rak) i inne problemy. Cykl komórkowy ma wiele punktów kontrolnych, aby upewnić się, że wszystko przebiega prawidłowo. Jeśli tak nie jest, dokonywane są naprawy lub inicjowana jest zaprogramowana śmierć komórki. Jednym z głównych chemicznych regulatorów cyklu komórkowego jest kinaza zależna od cyklin (CDK). Istnieją różne formy tej cząsteczki, które działają w różnych punktach cyklu komórkowego. Na przykład białko p53 jest wytwarzany przez uszkodzony DNA w komórce, który dezaktywuje kompleks CDK w G₁Punkt kontrolny /S, zatrzymując w ten sposób postęp komórki.