Bunkový cyklus: definícia, fázy, regulácia a fakty

Bunkové delenie je životne dôležitá pre rast a zdravie organizmu. Takmer všetky bunky sa podieľajú na delení buniek; niektorí to robia viackrát za svoju životnosť. Rastúci organizmus, napríklad ľudské embryo, využíva bunkové delenie na zväčšenie a špecializáciu jednotlivých orgánov. Dokonca aj zrelé organizmy, ako dospelý človek na dôchodku, používajú bunkové delenie na údržbu a opravu telesného tkaniva. Bunkový cyklus popisuje proces, ktorým bunky vykonávajú svoje určené úlohy, rastú a delia sa a potom proces znova začnú dvoma výslednými dcérskymi bunkami. V 19. storočí umožnil technologický pokrok v mikroskopii vedcom určiť, že všetky bunky pochádzajú z iných buniek procesom bunkového delenia. To nakoniec vyvrátilo dovtedy rozšírené presvedčenie, že bunky sa generujú spontánne z dostupnej hmoty. Bunkový cyklus je zodpovedný za celý ďalší život. Kroky sú rovnaké bez ohľadu na to, či k tomu dôjde v bunkách rias, ktoré sa držia skaly v jaskyni, alebo v bunkách pokožky na ruke.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Delenie buniek je životne dôležité pre rast a zdravie organizmu. Bunkový cyklus je opakujúcim sa rytmom rastu a delenia buniek. Skladá sa z fáz interfázy a mitózy, ako aj ich subfáz a procesu cytokinézy. Bunkový cyklus je prísne regulovaný chemikáliami na kontrolných bodoch v každom kroku, aby sa tak zabezpečilo mutácie sa nevyskytujú a rast buniek nenastáva rýchlejšie ako to, čo je zdravé pre okolie tkanivo.

Bunkový cyklus sa v podstate skladá z dvoch fáz. Prvá fáza je medzifáza. Počas medzifázy sa bunka pripravuje na bunkové delenie tromi tzv G₁ fáza, S fáza a G₂ fáza. Na konci interfázy boli všetky chromozómy v bunkovom jadre duplikované. Počas všetkých týchto etáp bunka tiež pokračuje v plnení svojich denných funkcií, nech už sú akékoľvek. Interfáza môže trvať dni, týždne, roky - a v niektorých prípadoch aj po celú dobu životnosti organizmu. Väčšina nervových buniek nikdy neopustí G₁ fázu medzifázy, preto vedci určili špeciálnu fázu pre bunky ako sú tieto, ktoré sa nazývajú G₀. Táto fáza je určená pre nervové bunky a ďalšie bunky, ktoré nepôjdu do procesu bunkového delenia. Niekedy je to preto, že jednoducho nie sú pripravení alebo na to nie sú určení, ako napríklad nervové bunky alebo svalové bunky, a to sa nazýva stav pokoja. Inokedy sú príliš staré alebo poškodené a hovorí sa im stav starnutia. Pretože nervové bunky sú oddelené od bunkového cyklu, poškodenie je na rozdiel od a ich poškodenia väčšinou neopraviteľné zlomeninu kosti, a to je dôvod, prečo majú ľudia s poranením chrbtice alebo mozgu často trvalé následky postihnutia.

Druhá fáza bunkového cyklu sa nazýva mitóza alebo M fáza. Počas mitózy sa jadro rozdelí na dve časti a do každého z dvoch jadier pošle jednu kópiu každého duplikovaného chromozómu. Sú tu štyri štádia mitózy, a tieto sú profáza, metafáza, anafáza a telofáza. Približne v rovnakom čase, v ktorom dochádza k mitóze, nastáva ďalší proces, tzv cytokinéza, čo je takmer jeho vlastná fáza. Toto je proces, ktorým sa delí cytoplazma bunky a všetko ostatné v nej. Týmto spôsobom, keď sa jadro rozdelí na dve časti, sú v obklopujúcej bunke dve, ktoré idú s každým jadrom. Akonáhle je rozdelenie dokončené, plazmatická membrána sa uzavrie okolo každej novej bunky a odštiepi sa, čím sa dve nové identické bunky úplne rozdelia. Okamžite sú obe bunky opäť v prvom štádiu interfázy: G₁.

G₁ znamená Gap fáza 1. Termín „medzera“ pochádza z doby, keď vedci objavovali bunkové delenie pod mikroskopom a považovali mitotické štádium za veľmi vzrušujúce a dôležité. Pozorovali delenie jadra a sprievodný cytokinetický proces ako dôkaz, že všetky bunky pochádzajú z iných buniek. The fázy medzifázy, však pôsobil staticky a neaktívne. Preto si o nich mysleli, že sú odpočinkové alebo ako medzery v činnosti. Pravda však je, že G₁ - a G.₂ na konci medzifázy - sú rušnými obdobiami rastu bunky, v ktorých bunka rastie a prispieva k blahu organizmu akýmkoľvek spôsobom, ako sa „narodilo“. Okrem svojich bežných bunkových povinností si bunka vytvára molekuly, ako sú proteíny a kyselina ribonukleová (RNA).

Ak nie je bunková DNA poškodená a bunka dostatočne narástla, postupuje do druhého štádia interfázy, tzv. S fáza. Toto je skratka pre fázu syntézy. Počas tejto fázy, ako už názov napovedá, bunka venuje veľa energie syntéze molekúl. Konkrétne bunka replikuje svoju DNA a duplikuje tak svoje chromozómy. Ľudia majú vo svojich somatických bunkách 46 chromozómov, čo sú všetky bunky, ktoré nie sú reprodukčnými bunkami (spermie a vajíčka). 46 chromozómov je organizovaných do 23 homológnych párov, ktoré sú spojené. Každý chromozóm v homológnom páre sa nazýva homológ druhého. Keď sa chromozómy duplikujú počas S fázy, sú navinuté veľmi pevne okolo histónového proteínu reťazce nazývané chromatín, vďaka ktorým je proces duplikácie menej náchylný na chyby replikácie DNA, alebo mutácia. Teraz sa nazývajú dva nové identické chromozómy chromatidy. Pramene histónov viažu dve identické chromatidy dohromady, takže vytvárajú akýsi tvar X. Bod, kde sú viazané, sa nazýva centroméra. Okrem toho sú chromatidy stále spojené s ich homológom, ktorým je teraz tiež dvojica chromatidov v tvare X. Každý pár chromatidov sa nazýva chromozóm; pravidlom je, že k jednému centroméru nikdy nie je pripojený viac ako jeden chromozóm.

Posledná fáza medzifázy je G₂alebo fáza 2 medzery. Táto fáza dostala názov z rovnakých dôvodov ako G.₁. Rovnako ako počas G₁ a S fáza zostáva bunka počas celej fázy zaneprázdnená svojimi typickými úlohami, aj keď dokončí prácu medzifázy a pripraví sa na mitózu. Pri príprave na mitózu bunka rozdeľuje svoje mitochondrie a tiež chloroplasty (ak nejaké majú). Začína sa syntetizovať prekurzor vlákien vretena, ktoré sa nazývajú mikrotubuly. Vyrába ich replikáciou a ukladaním centromér chromatidových párov do ich jadra. Vlákna vretienka budú rozhodujúce pre proces jadrového delenia počas mitózy, keď sa chromozómy budú musieť od seba oddeliť do dvoch separujúcich jadier; zaistenie toho, aby sa správne chromozómy dostali do správneho jadra a zostali spárované so správnym homológom, je zásadné pre prevenciu genetických mutácií.

Deliace markery medzi fázami bunkového cyklu a subfázami medzifázy a mitózy sú artefakty, ktoré vedci používajú na to, aby opísali proces bunkového delenia. V prírode je proces plynulý a nikdy nekončiaci. Prvý stupeň mitózy sa nazýva profáza. Začína sa to chromozómami v stave, v akom sa nachádzali na konci G₂ štádium interfázy, replikované so sesterskými chromatidmi pripojenými centromérami. Počas profázy kondenzuje vlákno chromatínu, čo umožňuje viditeľnosť chromozómov (tj. Každého páru sesterských chromatidov) pri svetelnej mikroskopii. Centroméry naďalej rastú v mikrotubuly, ktoré vytvárajú vlákna vretena. Na konci profázy sa jadrová membrána rozpadne a vlákna vretena sa spoja a vytvoria štrukturálnu sieť v celej cytoplazme bunky. Pretože chromozómy teraz voľne plávajú v cytoplazme, vlákna vretienka sú jedinou oporou, ktorá im bráni v plávaní z cesty.

Hneď ako sa jadrová membrána rozpustí, bunka sa dostane do metafázy. Vlákna vretena posúvajú chromozómy k rovníku bunky. Táto rovina je známa ako vretenový rovník alebo metafázová doska. Nie je tam nič hmatateľné; je to jednoducho rovina, v ktorej sú všetky chromozómy zoradené, a ktorá bunku rozpolcuje vodorovne alebo zvisle, v závislosti od toho, ako si prehliadate alebo predstavujete bunku (vizuálne znázornenie tejto funkcie nájdete v časti Zdroje). U ľudí existuje 46 centromér a každé z nich je pripojené k dvojici sestier chromatidových. Počet centromér závisí od organizmu. Každá centroméra je spojená s dvoma vláknami vretena. Dve vlákna vretena sa rozchádzajú, akonáhle opúšťajú centroméru, takže sa spájajú so štruktúrami na opačných póloch bunky.

Bunka sa posúva do anafázy, čo je najkratšia zo štyroch fáz mitózy. Vlákna vretena, ktoré spájajú chromozómy s pólmi bunky, sa skracujú a vzďaľujú smerom k svojim príslušným pólom. Pritom rozdeľujú chromozómy, ku ktorým sú pripojené. Centroméry sa tiež rozdelili na dve časti, keď jedna polovica putovala s každou sestrou chromatidov smerom k opačnému pólu. Pretože každý chromatid má teraz svoj vlastný centromér, nazýva sa to opäť chromozóm. Medzitým sa rôzne vlákna vretena pripevnené k obidvom pólom predĺžia, čo spôsobí zväčšenie vzdialenosti medzi dvoma pólmi bunky, takže sa bunka vyrovná a predĺži. Proces anafázy prebieha takým spôsobom, že na konci každá strana bunky obsahuje jednu kópiu každého chromozómu.

Telophase je štvrté a posledné štádium mitózy. V tomto štádiu sa extrémne pevne zabalené chromozómy - ktoré boli kondenzované kvôli zvýšeniu presnosti replikácie - odvíjajú samy. Vlákna vretena sa rozpúšťajú a bunková organela nazývaná endoplazmatické retikulum syntetizuje nové jadrové membrány okolo každej sady chromozómov. To znamená, že bunka má teraz dve jadrá, každé s kompletným genómom. Mitóza je úplná.

Teraz, keď bolo jadro rozdelené, musí sa rozdeliť aj zvyšok bunky, aby sa obe bunky mohli rozdeliť. Tento proces je známy ako cytokinéza. Je to samostatný proces od mitózy, aj keď sa často vyskytuje súčasne s mitózou. V živočíšnych a rastlinných bunkách sa to deje inak, pretože tam, kde majú živočíšne bunky iba membránu plazmatických buniek, majú rastlinné bunky tuhú bunkovú stenu. V obidvoch druhoch buniek sú teraz v jednej bunke dve odlišné jadrá. V živočíšnych bunkách sa v strede bunky vytvorí kontraktilný krúžok. Jedná sa o krúžok z mikrofilamentov, ktoré sa zvierajú okolo bunky a napínajú plazmatickú membránu v strede ako korzet, až kým nevytvorí štiepnu brázdu. Inými slovami, kontraktilný krúžok spôsobuje, že bunka vytvára tvar presýpacích hodín, ktorý sa stáva čoraz výraznejším, až kým sa bunka úplne neodštiepi do dvoch samostatných buniek. V rastlinných bunkách vytvára organela zvaná Golgiho komplex komplex vezikuly, čo sú membránovo viazané vrecká s tekutinou pozdĺž osi, ktorá rozdeľuje bunku medzi dve jadrá. Tieto vezikuly obsahujú polysacharidy, ktoré sú potrebné na vytvorenie bunkovej doštičky a prípadne bunkovej doštičky sa spája s bunkovou stenou, ktorá kedysi slúžila ako pôvodná jednotlivá bunka, a stáva sa jej súčasťou bunky.

Bunkový cyklus vyžaduje veľkú reguláciu, aby sa zabezpečilo, že neprebieha bez splnenia určitých podmienok vo vnútri aj mimo bunky. Bez tejto regulácie by vznikli nekontrolované genetické mutácie, nekontrolovaný rast buniek (rakovina) a ďalšie problémy. Bunkový cyklus má množstvo kontrolných bodov, aby sa ubezpečil, že veci prebiehajú správne. Ak nie sú, urobia sa opravy alebo sa iniciuje programovaná smrť bunky. Jedným z primárnych chemických regulátorov bunkového cyklu je cyklín-dependentná kináza (CDK). Existujú rôzne formy tejto molekuly, ktoré pôsobia v rôznych bodoch bunkového cyklu. Napríklad bielkovina p53 je produkovaný poškodenou DNA v bunke a ktorá deaktivuje komplex CDK v G₁/ S kontrolný bod, čím sa zastaví priebeh bunky.