Celični cikel: opredelitev, faze, ureditev in dejstva

Delitev celic je ključnega pomena za rast in zdravje organizma. Skoraj vse celice sodelujejo pri delitvi celic; nekateri to počnejo večkrat v svoji življenjski dobi. Rastoči organizem, kot je človeški zarodek, s pomočjo delitve celic poveča velikost in specializacijo posameznih organov. Tudi zreli organizmi, kot upokojeni odrasli človek, uporabljajo delitev celic za vzdrževanje in obnovo telesnega tkiva. Celični cikel opisuje postopek, s katerim celice opravljajo določena dela, rastejo in se delijo, nato pa postopek znova začnejo z dvema nastalim hčerinskim celicami. V 19. stoletju je tehnološki napredek mikroskopije znanstvenikom omogočil, da so ugotovili, da vse celice izhajajo iz drugih celic s postopkom delitve celic. To je končno ovrglo prej razširjeno prepričanje, da celice spontano nastajajo iz razpoložljive snovi. Celični cikel je odgovoren za celotno življenje. Ne glede na to, ali se to zgodi v celicah alg, ki se držijo kamna v jami ali v celicah kože na roki, so koraki enaki.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Delitev celic je ključnega pomena za rast in zdravje organizma. Celični cikel je ponavljajoči se ritem rasti in delitve celic. Sestavljen je iz medfaznih faz in mitoze ter njihovih podfaz in procesa citokineze. Celični cikel strogo urejajo kemikalije na kontrolnih točkah v vsakem koraku, da se zagotovi mutacije se ne pojavijo in rast celic se ne zgodi hitreje od tistega, kar je zdravo za okolico tkivo.

Celični cikel je v bistvu sestavljen iz dveh faz. Prva faza je medfazna. Med medfazo se celica pripravlja na delitev celic v treh podfazah G₁ fazi, S faza in G₂ fazi. Do konca medfaze so se vsi kromosomi v celičnem jedru podvojili. Skozi vse te faze celica tudi nadaljuje s svojimi dnevnimi funkcijami, kakršne koli že so. Interfaza lahko traja dneve, tedne, leta - in v nekaterih primerih celo življenjsko dobo organizma. Večina živčnih celic nikoli ne zapusti G₁ stopnja interfaze, zato so znanstveniki za celice, kot so oni, določili posebno stopnjo, imenovano G₀. Ta stopnja je namenjena živčnim celicam in drugim celicam, ki ne bodo začele deliti celic. Včasih je to zato, ker preprosto niso pripravljeni ali jim niso določeni, kot so živčne celice ali mišične celice, in temu pravimo stanje mirovanja. Včasih so prestare ali poškodovane, kar imenujemo stanje staranja. Ker so živčne celice ločene od celičnega cikla, je njihova škoda večinoma nepopravljiva, za razliko od zlomljena kost in to je razlog, da imajo ljudje s poškodbami hrbtenice ali možganov pogosto trajne posledice invalidnosti.

Imenuje se druga faza celičnega cikla mitoza ali M faza. Med mitozo se jedro razdeli na dva dela in v vsako od obeh jeder pošlje po eno kopijo vsakega podvojenega kromosoma. Obstajajo štirje stopnje mitoze, in to so profaza, metafaza, anafaza in telofaza. Približno v istem času, ko se dogaja mitoza, pride do drugega procesa, imenovanega citokineza, kar je skoraj lastna faza. To je proces, po katerem se celična plast celice in vse ostalo v njej deli. Na ta način, ko se jedro razdeli na dvoje, sta v okoliški celici z vsem jedrom dve. Ko je delitev končana, se plazemska membrana zapre okoli vsake nove celice in se odščipne, tako da dve novi enaki celici popolnoma delita med seboj. Takoj sta obe celici spet v prvi fazi interfaze: G₁.

G₁ pomeni Gap faza 1. Izraz "vrzel" izhaja iz časa, ko so znanstveniki pod mikroskopom odkrivali delitev celic in ugotovili, da je mitotična stopnja zelo vznemirljiva in pomembna. Opazovali so delitev jedra in spremljajoči proces citokinetike kot dokaz, da vse celice prihajajo iz drugih celic. The faze medfazepa se je zdela statična in neaktivna. Zato so zanje mislili kot na počitke ali vrzeli v aktivnosti. Resnica pa je, da G₁ - in G₂ na koncu medfaze - so živahna obdobja rasti celice, v katerih celica narašča in prispeva k dobremu počutju organizma na kakršen koli način, za katerega je bil "rojen". Poleg svojih rednih celičnih dolžnosti celica gradi molekule, kot so beljakovine in ribonukleinska kislina (RNA).

Če DNA celice ni poškodovana in je celica dovolj zrasla, preide v drugo stopnjo interfaze, imenovano S faza. To je okrajšava za sintezno fazo. V tej fazi, kot že ime pove, celica posveča veliko energije sintetiziranju molekul. Natančneje, celica replicira svojo DNA in podvaja svoje kromosome. Ljudje imamo v svojih somatskih celicah 46 kromosomov, ki so vse celice, ki niso reproduktivne celice (semenčice in jajčne celice). 46 kromosomov je organiziranih v 23 homolognih parov, ki so združeni. Vsak kromosom v homolognem paru se imenuje homolog drugega. Ko se kromosomi podvojijo med fazo S, so zelo tesno naviti okoli histonskega proteina verige, imenovane kromatin, zaradi česar je postopek podvajanja manj nagnjen k napakam replikacije DNA, ali mutacija. Zdaj se imenujeta dva nova enaka kromosoma kromatide. Prameni histonov vežejo dve enaki kromatidi, tako da tvorita nekakšno obliko X. Točka, kjer so vezani, se imenuje centromera. Poleg tega so kromatide še vedno povezane s svojim homologom, ki je zdaj tudi par kromatid v obliki črke X. Vsak par kromatid se imenuje kromosom; pravilo je, da na eno centromero ni nikoli pritrjen več kot en kromosom.

Zadnja faza medfaze je G₂, ali faza presledka 2. Ta faza je dobila ime iz istih razlogov kot G₁. Tako kot med G₁ in S faze, celica ostaja zaposlena s svojimi tipičnimi nalogami skozi celotno fazo, tudi ko konča delo medfaz in se pripravi na mitozo. Za pripravo na mitozo celica deli svoje mitohondrije, pa tudi kloroplaste (če jih ima). Začne sintetizirati predhodnike vretenastih vlaken, ki jih imenujemo mikrotubule. Te naredi tako, da replicira in zloži centromere kromatidnih parov v jedru. Vretenasta vlakna bodo ključnega pomena za postopek delitve jedra med mitozo, ko bo treba kromosome ločiti v obe ločevalni jedri; Ključnega pomena je zagotoviti, da pravilni kromosomi pridejo do pravilnega jedra in ostanejo seznanjeni s pravilnim homologom, da se preprečijo genske mutacije

Ločilni markerji med fazami celičnega cikla in podfazami interfaze in mitoze so umetniška dela, ki jih znanstveniki uporabljajo za opis procesa celične delitve. V naravi je postopek tekoč in neskončen. Imenuje se prva stopnja mitoze profaza. Začne se s kromosomi v stanju, v katerem so bili na koncu G₂ stopnja medfaze, ponovljena s sestrskimi kromatidami, pritrjenimi s centromerami. Med profazo se veriga kromatina kondenzira, kar omogoča, da kromosomi (to je vsak par sestrskih kromatid) postanejo vidni pod svetlobno mikroskopijo. Centromere še naprej rastejo v mikrotubule, ki tvorijo vretenasta vlakna. Na koncu profaze se jedrska membrana razgradi in vretenasta vlakna se povežejo in tvorijo strukturno mrežo v celotni citoplazmi celice. Ker kromosomi zdaj prosto plavajo v citoplazmi, so vretenasta vlakna edina podpora, ki jim preprečuje, da bi zaplavali.

Celica se premakne v metafazo takoj, ko se jedrska membrana raztopi. Vretenasta vlakna premaknejo kromosome na ekvator celice. Ta ravnina je znana kot ekvator vretena ali metafazna plošča. Tam ni nič oprijemljivega; preprosto gre za ravnino, kjer se vsi kromosomi poravnajo in celico razpolovi bodisi vodoravno bodisi navpično, odvisno od tega, kako si ogledujete ali predstavljate celico (za vizualni prikaz tega glejte Viri). Pri ljudeh obstaja 46 centromer in vsaka je pritrjena na par kromatidnih sester. Število centromer je odvisno od organizma. Vsaka centromera je povezana z dvema vlaknima vretena. Dve vretenski vlakni se razpustita, ko zapustijo centromero, tako da se povežejo s strukturami na nasprotnih polih celice.

Celica preide v anafazo, ki je najkrajša od štirih faz mitoze. Vretenasta vlakna, ki kromosome povezujejo s polovi celice, se skrajšajo in odmaknejo proti svojim polom. S tem ločijo kromosome, na katere so vezani. Tudi centromere se razdelijo na dva dela, ko polovica potuje z vsako kromatidno sestro proti nasprotnemu polu. Ker ima zdaj vsaka kromatida svojo centromero, se ji spet reče kromosom. Medtem se različna vretenasta vlakna, pritrjena na oba pola, podaljšujejo, zaradi česar razdalja med obema poloma celice raste, tako da se celica izravna in podaljša. Proces anafaze se zgodi tako, da na koncu vsaka stran celice vsebuje po eno kopijo vsakega kromosoma.

Telofaza je četrta in zadnja stopnja mitoze. V tej fazi se izjemno tesno zapakirani kromosomi - ki so bili zgoščeni, da se poveča natančnost replikacije - odvijejo. Vretenasta vlakna se raztopijo in nastane celični organel, imenovan Endoplazemski retikulum sintetizira nove jedrske membrane okoli vsakega sklopa kromosomov. To pomeni, da ima celica zdaj dve jedri, od katerih ima vsako celoten genom. Mitoza je končana.

Zdaj, ko je jedro razdeljeno, se mora deliti tudi preostala celica, da se lahko celici ločita. Ta postopek je znan kot citokineza. Je ločen proces od mitoze, čeprav se pogosto pojavlja skupaj z mitozo. V živalskih in rastlinskih celicah se zgodi drugače, ker tam, kjer imajo živalske celice samo membrano plazemske celice, imajo rastlinske celice togo celično steno. V obeh vrstah celic sta zdaj v eni celici dve različni jedri. V živalskih celicah se na sredini celice tvori kontraktilni obroč. To je obroč mikrofilamentov, ki se zavijajo okoli celice in zategujejo plazemsko membrano v sredini kot steznik, dokler ne ustvari tako imenovane braze. Z drugimi besedami, kontraktilni obroč povzroči, da celica oblikuje obliko peščene ure, ki postaja vse bolj izrazita, dokler se celica v celoti ne odcepi v dve ločeni celici. V rastlinskih celicah organela, imenovana Golgijev kompleks, ustvari vezikule, ki so z membrano vezani žepi tekočine vzdolž osi, ki deli celico med obema jedroma. Ti mehurčki vsebujejo polisaharide, ki so potrebni za oblikovanje celične plošče in sčasoma celične plošče se zlije in postane del celične stene, v kateri je bila nekoč prvotna posamezna celica, zdaj pa je dom dveh celic.

Celični cikel zahteva veliko regulacije, da se ne bo nadaljeval, ne da bi bili izpolnjeni določeni pogoji znotraj in zunaj celice. Brez te uredbe bi prišlo do nenadzorovanih genskih mutacij, nenadzorovane rasti celic (raka) in drugih težav. Celični cikel ima več kontrolnih točk, da se prepričate, da stvari potekajo pravilno. V nasprotnem primeru se opravijo popravila ali sproži programirana smrt celic. Eden od primarnih kemijskih regulatorjev celičnega cikla je ciklin-odvisna kinaza (CDK). Obstajajo različne oblike te molekule, ki delujejo na različnih točkah celičnega cikla. Na primer beljakovine str53 nastane s poškodovano DNA v celici in ki bo deaktiviral kompleks CDK na G₁/ S kontrolna točka, s čimer se zaustavi napredek celice.