Клеточный цикл: определение, фазы, регуляция и факты

Деление клеток жизненно важен для роста и здоровья организма. Почти все клетки участвуют в делении клеток; некоторые делают это несколько раз в течение своей жизни. Растущий организм, такой как человеческий эмбрион, использует деление клеток для увеличения размера и специализации отдельных органов. Даже зрелые организмы, такие как взрослый человек на пенсии, используют деление клеток для поддержания и восстановления тканей тела. Клеточный цикл описывает процесс, с помощью которого клетки выполняют свои функции, растут и делятся, а затем снова начинают процесс с двумя образующимися дочерними клетками. В 19 веке технический прогресс в микроскопии позволил ученым определить, что все клетки возникают из других клеток в процессе деления клеток. Это окончательно опровергло ранее широко распространенное мнение о том, что клетки спонтанно генерируются из доступной материи. Клеточный цикл отвечает за всю текущую жизнь. Независимо от того, происходит ли это в клетках водорослей, цепляющихся за камень в пещере, или в клетках кожи на вашей руке, шаги одинаковы.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Деление клеток жизненно важно для роста и здоровья организма. Клеточный цикл - это повторяющийся ритм роста и деления клеток. Он состоит из этапов интерфазы и митоза, а также их субфаз и процесса цитокинеза. Клеточный цикл строго регулируется химическими веществами на контрольных точках на каждом этапе, чтобы убедиться, что мутации не происходят, и рост клеток не происходит быстрее, чем это полезно для окружающей среды. ткань.

Клеточный цикл по существу состоит из двух фаз. Первая фаза - межфазная. Во время интерфазы клетка готовится к делению клетки на три подфазы, называемые грамм₁ фаза, Фаза S а также грамм₂ фаза. К концу интерфазы все хромосомы в ядре клетки дублируются. На всех этих этапах клетка продолжает выполнять свои повседневные функции, какими бы они ни были. Интерфаза может длиться дни, недели, годы - а в некоторых случаях и весь срок жизни организма. Большинство нервных клеток никогда не покидают G₁ стадия интерфазы, поэтому ученые обозначили особую стадию для таких клеток, как G₀. Этот этап предназначен для нервных клеток и других клеток, которые не будут участвовать в процессе деления клеток. Иногда это происходит потому, что они просто не готовы или не предназначены, как нервные клетки или мышечные клетки, и это называется состоянием покоя. В других случаях они слишком старые или поврежденные, и это называется состоянием старения. Поскольку нервные клетки отделены от клеточного цикла, их повреждение в большинстве случаев непоправимо, в отличие от нервных клеток. сломанная кость, и это причина того, что люди с травмами позвоночника или головного мозга часто имеют необратимые инвалидность.

Вторая фаза клеточного цикла называется митоз, или М-фаза. Во время митоза ядро ​​делится на две части, отправляя по одной копии каждой дублированной хромосомы каждому из двух ядер. Есть четыре стадии митоза, а это профаза, метафаза, анафаза а также телофаза. Примерно в то же время, когда происходит митоз, происходит другой процесс, называемый цитокинез, что является почти его собственной фазой. Это процесс деления цитоплазмы клетки и всего остального в ней. Таким образом, когда ядро ​​разделяется на две части, в окружающей клетке остается по два всего, что связано с каждым ядром. После завершения деления плазматическая мембрана закрывается вокруг каждой новой клетки и отщипывается, полностью отделяя две новые идентичные клетки друг от друга. Сразу же обе клетки снова находятся в первой стадии интерфазы: G₁.

грамм₁ обозначает фазу разрыва 1. Термин «разрыв» появился в то время, когда ученые открывали деление клеток под микроскопом и обнаружили, что митотическая стадия очень интересна и важна. Они наблюдали деление ядра и сопровождающий его цитокинетический процесс как доказательство того, что все клетки произошли от других клеток. В стадии интерфазыоднако казался статичным и неактивным. Поэтому они думали о них как о периодах отдыха или перерывах в деятельности. Однако правда в том, что G₁ - и G₂ в конце интерфазы - бурные периоды роста клетки, в течение которых клетка увеличивается в размерах и способствует благополучию организма, каким бы способом он ни был «рожден» для этого. В дополнение к своим обычным клеточным функциям клетка строит такие молекулы, как белки и рибонуклеиновая кислота (РНК).

Если ДНК клетки не повреждена и клетка достаточно выросла, она переходит ко второй стадии интерфазы, называемой Фаза S. Это сокращение от фазы синтеза. На этом этапе, как следует из названия, клетка тратит много энергии на синтез молекул. В частности, клетка копирует свою ДНК, дублируя свои хромосомы. В соматических клетках человека есть 46 хромосом, и все они не являются репродуктивными клетками (сперматозоиды и яйцеклетки). 46 хромосом организованы в 23 гомологичные пары, которые соединены вместе. Каждая хромосома в гомологичной паре называется гомологом другой. Когда хромосомы дублируются во время фазы S, они очень плотно наматываются на гистоновый белок. нити, называемые хроматином, что делает процесс дупликации менее подверженным ошибкам репликации ДНК, или мутация. Две новые идентичные хромосомы теперь называются хроматиды. Нити гистонов связывают две идентичные хроматиды вместе, так что они образуют своего рода X-образную форму. Точка, в которой они связаны, называется центромерой. Кроме того, хроматиды все еще связаны со своим гомологом, который теперь также представляет собой Х-образную пару хроматид. Каждая пара хроматид называется хромосомой; эмпирическое правило состоит в том, что к одной центромере никогда не прикрепляется более одной хромосомы.

Последний этап интерфазы - это грамм₂, или Промежуток фазы 2. Эта фаза получила свое название по тем же причинам, что и G₁. Как и во время G₁ и S-фаза, клетка остается занятой своими типичными задачами на протяжении всей стадии, даже когда она завершает работу интерфазы и готовится к митозу. Чтобы подготовиться к митозу, клетка делит свои митохондрии, а также хлоропласты (если таковые имеются). Он начинает синтезировать предшественники волокон веретена, которые называются микротрубочками. Он делает это, реплицируя и укладывая центромеры хроматидных пар в своем ядре. Волокна веретена будут иметь решающее значение для процесса деления ядер во время митоза, когда хромосомы должны быть разделены на два разделяющихся ядра; Чтобы предотвратить генетические мутации, крайне важно убедиться, что правильные хромосомы попадают в правильное ядро ​​и остаются в паре с правильным гомологом.

Маркеры деления между фазами клеточного цикла и субфазами интерфазы и митоза - это уловки, которые ученые используют для описания процесса деления клеток. В природе этот процесс плавен и бесконечен. Первый этап митоза называется профаза. Он начинается с хромосом в том состоянии, в котором они были в конце G₂ стадия интерфазы, воспроизводимая сестринскими хроматидами, прикрепленными центромерами. Во время профазы нить хроматина конденсируется, что позволяет хромосомам (то есть каждой паре сестринских хроматид) становиться видимыми под световым микроскопом. Центромеры продолжают расти в микротрубочки, которые образуют волокна веретена. К концу профазы ядерная мембрана разрушается, и волокна веретена соединяются, образуя структурную сеть по всей цитоплазме клетки. Поскольку хромосомы теперь свободно плавают в цитоплазме, волокна веретена являются единственной опорой, которая удерживает их от сбивания с пути.

Клетка переходит в метафазу, как только растворяется ядерная мембрана. Волокна веретена перемещают хромосомы к экватору клетки. Эта плоскость известна как экватор веретена или метафазная пластинка. Там нет ничего осязаемого; это просто плоскость, на которой выстраиваются все хромосомы, и которая делит клетку пополам либо по горизонтали, либо по вертикально, в зависимости от того, как вы смотрите или представляете ячейку (для визуального представления см. Ресурсы). У человека 46 центромер, каждая из которых прикреплена к паре сестер хроматид. Количество центромер зависит от организма. Каждая центромера связана с двумя волокнами веретена. Два волокна веретена расходятся, покидая центромеру, так что они соединяются со структурами на противоположных полюсах клетки.

Клетка переходит в анафазу, которая является самой короткой из четырех фаз митоза. Волокна веретена, которые соединяют хромосомы с полюсами клетки, укорачиваются и отодвигаются к своим полюсам. При этом они разделяют хромосомы, к которым они прикреплены. Центромеры также разделяются на две части, поскольку одна половина перемещается с каждой сестрой хроматид к противоположному полюсу. Поскольку каждая хроматида теперь имеет свою центромеру, она снова называется хромосомой. Между тем, различные волокна веретена, прикрепленные к обоим полюсам, удлиняются, в результате чего расстояние между двумя полюсами клетки увеличивается, так что клетка сглаживается и удлиняется. Процесс анафазы происходит таким образом, что к концу каждая сторона клетки содержит по одной копии каждой хромосомы.

Телофаза это четвертая и последняя стадия митоза. На этом этапе чрезвычайно плотно упакованные хромосомы, которые были конденсированы для повышения точности репликации, раскручиваются. Волокна веретена растворяются, и клеточная органелла, называемая эндоплазматическая сеть синтезирует новые ядерные мембраны вокруг каждого набора хромосом. Это означает, что теперь у клетки есть два ядра, каждое с полным геномом. Митоз полный.

Теперь, когда ядро ​​разделено, остальная часть клетки также должна разделиться, чтобы две клетки могли разделиться. Этот процесс известен как цитокинез. Это отдельный процесс от митоза, хотя он часто сопровождается митозом. Это происходит по-разному в клетках животных и растений, потому что там, где клетки животных имеют только плазматическую мембрану, клетки растений имеют жесткую клеточную стенку. В обоих типах клеток теперь есть два отдельных ядра в одной клетке. В клетках животных сократительное кольцо образуется в середине клетки. Это кольцо из микрофиламентов, которые стягиваются вокруг клетки, стягивая плазматическую мембрану в центре, как корсет, до тех пор, пока не образуется так называемая борозда декольте. Другими словами, сократительное кольцо заставляет клетку формировать форму песочных часов, которая становится все более и более выраженной, пока клетка полностью не разделится на две отдельные клетки. В растительных клетках органелла, называемая комплексом Гольджи, создает пузырьки, которые представляют собой связанные с мембраной карманы жидкости вдоль оси, разделяющей клетку между двумя ядрами. Эти везикулы содержат полисахариды, которые необходимы для формирования клеточной пластинки, и, в конечном итоге, клеточной пластинки. сливается с клеточной стенкой и становится ее частью, в которой когда-то находилась исходная одиночная ячейка, но теперь в ней находятся две клетки.

Клеточный цикл требует значительной регуляции, чтобы убедиться, что он не протекает без выполнения определенных условий внутри и вне клетки. Без этого регулирования возникли бы неконтролируемые генетические мутации, неконтролируемый рост клеток (рак) и другие проблемы. В клеточном цикле есть несколько контрольных точек, чтобы убедиться, что все идет правильно. В противном случае производится ремонт или запускается запрограммированная гибель клеток. Одним из основных химических регуляторов клеточного цикла является циклин-зависимая киназа (CDK). Существуют разные формы этой молекулы, которые действуют в разных точках клеточного цикла. Например, белок p53 продуцируется поврежденной ДНК в клетке и дезактивирует комплекс CDK в точке G₁Контрольно-пропускной пункт / S, что останавливает продвижение камеры.