3 ขั้นตอนของอินเตอร์เฟส

นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเห็นกระบวนการแบ่งเซลล์ครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1800 หลักฐานทางจุลทรรศน์ที่สม่ำเสมอของเซลล์ที่ใช้พลังงานและวัสดุเพื่อคัดลอกและแบ่งตัวเองได้หักล้างทฤษฎีที่แพร่หลายว่าเซลล์ใหม่เกิดขึ้นจากการเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์เริ่มเข้าใจปรากฏการณ์ของวัฏจักรเซลล์ นี่คือกระบวนการที่เซลล์ "ถือกำเนิด" ผ่านการแบ่งเซลล์ จากนั้นจึงดำเนินชีวิต ดำเนินกิจกรรมของเซลล์ในแต่ละวัน จนกว่าจะถึงเวลาต้องแบ่งเซลล์ด้วยตนเอง

มีเหตุผลมากมายที่เซลล์อาจไม่ผ่านการหาร เซลล์บางเซลล์ในร่างกายมนุษย์ทำไม่ได้ ตัวอย่างเช่น เซลล์ประสาทส่วนใหญ่หยุดการแบ่งตัวในที่สุด ซึ่งเป็นสาเหตุที่คนที่ทนต่อความเสียหายของเส้นประสาทอาจได้รับมอเตอร์ถาวรหรือขาดดุลประสาทสัมผัส

โดยปกติแม้ว่า วัฏจักรเซลล์ เป็นกระบวนการที่ประกอบด้วยสองขั้นตอน: อินเตอร์เฟส และ ไมโทซิส. ไมโทซิสเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการแบ่งเซลล์ แต่เซลล์โดยเฉลี่ยใช้เวลา 90 เปอร์เซ็นต์ของชีวิตในเฟส ซึ่งหมายความว่าเซลล์มีชีวิตและเติบโตและไม่แบ่งตัว มีสามเฟสย่อยภายในเฟส เหล่านี้คือ G₁ เฟส, S เฟส, และ G₂ เฟส.

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

สามขั้นตอนของเฟสคือ G₁ซึ่งย่อมาจากช่องว่างระยะที่ 1; เฟส S ซึ่งย่อมาจากเฟสสังเคราะห์ และ G₂ซึ่งย่อมาจากช่องว่างระยะที่ 2 อินเตอร์เฟสเป็นเฟสแรกของสองเฟสของวัฏจักรเซลล์ยูคาริโอต ระยะที่ 2 คือ ไมโทซิส หรือ ระยะ M ซึ่งเป็นช่วงที่เซลล์เกิดการแบ่งตัว บางครั้งเซลล์ก็ไม่ทิ้ง G₁ เพราะไม่ใช่เซลล์ประเภทที่แบ่งตัว หรือเพราะกำลังจะตาย ในกรณีเหล่านี้พวกเขาอยู่ในขั้นตอนที่เรียกว่า G₀ซึ่งไม่ถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรเซลล์

สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเช่นแบคทีเรียเรียกว่า โปรคาริโอตและเมื่อพวกเขามีส่วนร่วมในการแบ่งเซลล์ จุดประสงค์ของพวกเขาคือการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศ พวกเขากำลังสร้างลูกหลาน การแบ่งเซลล์โปรคาริโอตเรียกว่า ฟิชชันไบนารี แทนที่จะเป็นไมโทซิส โปรคาริโอตมักมีโครโมโซมเพียงตัวเดียวที่ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียสและไม่มีออร์แกเนลล์ที่เซลล์ชนิดอื่นมี ในระหว่างการแตกตัวแบบไบนารี เซลล์โปรคาริโอตจะสร้างสำเนาโครโมโซมของมัน จากนั้นจึงแนบสำเนาของโครโมโซมน้องสาวแต่ละชุดเข้ากับเยื่อหุ้มเซลล์ที่อยู่ตรงข้ามกัน จากนั้นจะเริ่มสร้างรอยแยกในเมมเบรนที่บีบเข้าด้านในในกระบวนการที่เรียกว่าการบุกรุก จนกระทั่งแยกออกเป็นสองเซลล์ที่เหมือนกันและแยกจากกัน เซลล์ที่เป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรเซลล์ไมโทติคคือเซลล์ยูคาริโอต พวกมันไม่ใช่สิ่งมีชีวิตส่วนบุคคล แต่เป็นเซลล์ที่มีอยู่เป็นหน่วยความร่วมมือของสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ เซลล์ในดวงตาหรือกระดูกของคุณ หรือเซลล์ในลิ้นของแมวหรือใบหญ้าบนสนามหญ้าหน้าบ้านของคุณล้วน เซลล์ยูคาริโอต. พวกมันมีสารพันธุกรรมมากกว่าโปรคาริโอต ดังนั้นกระบวนการแบ่งเซลล์จึงซับซ้อนกว่ามาก

วัฏจักรของเซลล์ได้ชื่อมาเพราะเซลล์มีการแบ่งตัวอย่างต่อเนื่อง เริ่มต้นชีวิตใหม่ เมื่อเซลล์แบ่งตัว นั่นคือจุดสิ้นสุดของระยะไมโทซิส และเซลล์จะเริ่มระหว่างเฟสอีกครั้งในทันที แน่นอน ในทางปฏิบัติ วัฏจักรของเซลล์เกิดขึ้นอย่างลื่นไหล แต่นักวิทยาศาสตร์ได้แบ่งเขตเฟสและเฟสย่อยภายในกระบวนการเพื่อให้เข้าใจโครงสร้างย่อยของชีวิตด้วยกล้องจุลทรรศน์ได้ดีขึ้น เซลล์ที่เพิ่งแบ่งใหม่ ซึ่งปัจจุบันเป็นหนึ่งในสองเซลล์ที่ก่อนหน้านี้เป็นเซลล์เดียว อยู่ใน G₁ เฟสย่อยของเฟส G₁ เป็นตัวย่อสำหรับระยะ "ช่องว่าง"; จะมีอีกอันชื่อ G₂. คุณอาจเห็นสิ่งเหล่านี้เขียนเป็น G1 และ G2 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ค้นพบงานเซลล์พื้นฐานของไมโทซิสที่ยุ่งเหยิงภายใต้กล้องจุลทรรศน์ พวกเขา ตีความ interphase ที่ค่อนข้างดราม่าน้อยกว่าว่าเป็นช่วงพักหรือหยุดชั่วคราวระหว่างเซลล์ ดิวิชั่น

พวกเขาชื่อ G₁ ขึ้นเวทีด้วยคำว่า “ช่องว่าง” โดยใช้การตีความนี้ แต่ในความหมายนั้น เป็นการเรียกชื่อผิด ในความเป็นจริง, G₁ เป็นอีกขั้นของการเติบโต กว่าระยะของการพักผ่อน ในระหว่างระยะนี้ เซลล์จะทำทุกสิ่งที่เป็นปกติสำหรับประเภทของเซลล์ หากเป็นเซลล์เม็ดเลือดขาว ก็จะทำหน้าที่ป้องกันระบบภูมิคุ้มกัน หากเป็นเซลล์ใบในพืช ก็จะทำการสังเคราะห์ด้วยแสงและแลกเปลี่ยนก๊าซ เซลล์มีแนวโน้มที่จะเติบโต เซลล์บางเซลล์เติบโตช้าในช่วง G₁ ในขณะที่คนอื่นเติบโตอย่างรวดเร็ว เซลล์สังเคราะห์โมเลกุล เช่น กรดไรโบนิวคลีอิก (RNA) และโปรตีนต่างๆ เมื่อถึงจุดหนึ่งในสาย G₁ เซลล์ต้อง "ตัดสินใจ" ว่าจะย้ายไปยังเฟสถัดไปของเฟสหรือไม่

โมเลกุลที่เรียกว่าไคเนสที่ขึ้นกับไซคลิน (CDK) ควบคุมวัฏจักรของเซลล์ ข้อบังคับนี้จำเป็นเพื่อป้องกันการสูญเสียการควบคุมการเติบโตของเซลล์ การแบ่งเซลล์ที่ควบคุมไม่ได้ในสัตว์เป็นอีกวิธีหนึ่งในการอธิบายเนื้องอกมะเร็งหรือมะเร็ง CDK ให้สัญญาณที่จุดตรวจระหว่างจุดเฉพาะของวัฏจักรเซลล์เพื่อให้เซลล์ดำเนินต่อไปหรือหยุดชั่วคราว ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมบางประการมีส่วนทำให้ CDK ให้สัญญาณเหล่านี้หรือไม่ ซึ่งรวมถึงความพร้อมของสารอาหารและปัจจัยการเจริญเติบโต และความหนาแน่นของเซลล์ในเนื้อเยื่อรอบข้าง ความหนาแน่นของเซลล์เป็นวิธีการที่สำคัญอย่างยิ่งในการควบคุมตนเองซึ่งใช้โดยเซลล์เพื่อรักษาอัตราการเติบโตของเนื้อเยื่อให้แข็งแรง CDK ควบคุมวัฏจักรของเซลล์ในระหว่างสามขั้นตอนของอินเตอร์เฟส เช่นเดียวกับระหว่างไมโทซิส (ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเฟส M)

หากเซลล์ไปถึงจุดตรวจควบคุมและไม่ได้รับสัญญาณให้ดำเนินการต่อไปในวัฏจักรเซลล์ (เช่น ถ้าเซลล์อยู่ที่จุดสิ้นสุดของ G₁ ในอินเตอร์เฟสและกำลังรอเข้าสู่เฟส S ในเฟส) มีสองสิ่งที่เป็นไปได้ที่เซลล์สามารถทำได้ หนึ่งคือสามารถหยุดชั่วคราวในขณะที่ปัญหาได้รับการแก้ไข ตัวอย่างเช่น หากส่วนประกอบที่จำเป็นบางอย่างเสียหายหรือขาดหายไป สามารถซ่อมแซมหรือเพิ่มเติมได้ แล้วจึงเข้าใกล้จุดตรวจอีกครั้ง อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับเซลล์คือการเข้าสู่เฟสอื่นที่เรียกว่า G₀ซึ่งอยู่นอกวัฏจักรเซลล์ การกำหนดนี้มีไว้สำหรับเซลล์ซึ่งจะยังคงทำงานตามที่ควรจะเป็น แต่จะไม่ย้ายไปยังเฟส S หรือไมโทซิส และด้วยเหตุนี้ จะไม่มีส่วนร่วมในการแบ่งเซลล์ เซลล์ประสาทของมนุษย์ที่โตเต็มวัยส่วนใหญ่จัดอยู่ใน G₀ เฟส เนื่องจากปกติแล้วจะไม่เข้าสู่เฟส S หรือไมโทซีส เซลล์ใน G₀ ระยะถือว่าสงบซึ่งหมายความว่าพวกเขาอยู่ในสถานะไม่แบ่งหรือชราภาพซึ่งหมายความว่าพวกเขากำลังจะตาย

ในช่วง G₁ ระยะ interphase มีด่านควบคุม 2 จุด ที่เซลล์ต้องผ่านก่อนดำเนินการ คนหนึ่งประเมินว่า DNA ของเซลล์เสียหายหรือไม่ และหากเป็นแล้ว จะต้องซ่อมแซม DNA ก่อนจึงจะดำเนินการต่อได้ แม้ว่าเซลล์จะพร้อมดำเนินการเฟส S ของอินเตอร์เฟสเป็นอย่างอื่น ก็ยังมีจุดตรวจอีกจุดที่ต้องดำเนินการ แน่ใจว่าสภาพแวดล้อม – หมายถึงสถานะของสิ่งแวดล้อมรอบ ๆ เซลล์ทันที – เป็น ดี เงื่อนไขเหล่านี้รวมถึงความหนาแน่นของเซลล์ของเนื้อเยื่อรอบข้าง เมื่อเซลล์มีเงื่อนไขที่จำเป็นในการดำเนินการจาก G₁ ในเฟส S โปรตีนไซคลินจับกับ CDK เผยให้เห็นส่วนที่ออกฤทธิ์ของโมเลกุล ซึ่งส่งสัญญาณไปยังเซลล์ว่าถึงเวลาที่จะเริ่มเฟส S หากเซลล์ไม่ตรงตามเงื่อนไขที่จะย้ายจาก G₁ สำหรับเฟส S ไซคลินจะไม่เปิดใช้งาน CDK ซึ่งจะป้องกันการลุกลาม ในบางกรณี เช่น DNA ที่เสียหาย โปรตีนที่ยับยั้ง CDK จะจับกับโมเลกุล CDK-cyclin เพื่อป้องกันการลุกลามจนกว่าปัญหาจะได้รับการแก้ไข

เมื่อเซลล์เข้าสู่ S เฟสจะต้องดำเนินต่อไปจนถึงจุดสิ้นสุดของวัฏจักรเซลล์โดยไม่หันหลังกลับหรือถอนตัวไปยัง G₀. อย่างไรก็ตาม มีจุดตรวจสอบเพิ่มเติมตลอดกระบวนการ เพื่อให้แน่ใจว่าขั้นตอนต่างๆ จะเสร็จสมบูรณ์อย่างถูกต้อง ก่อนที่เซลล์จะย้ายไปยังเฟสถัดไปของวัฏจักรเซลล์ “S” ในระยะ S หมายถึงการสังเคราะห์เนื่องจากเซลล์สังเคราะห์หรือสร้างสำเนาใหม่ของ DNA ในเซลล์ของมนุษย์ นั่นหมายความว่าเซลล์สร้างโครโมโซม 46 ชุดใหม่ทั้งหมดในช่วง S ขั้นตอนนี้ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันไม่ให้ข้อผิดพลาดผ่านไปยังขั้นตอนถัดไป ข้อผิดพลาดเหล่านั้นคือการกลายพันธุ์ การกลายพันธุ์เกิดขึ้นบ่อยครั้งเพียงพอ แต่กฎเกณฑ์ของวัฏจักรเซลล์ป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นอีกมาก ในระหว่างการจำลองแบบของ DNA โครโมโซมแต่ละโครโมโซมจะพันรอบเส้นใยโปรตีนที่เรียกว่าฮิสโตนอย่างมาก ซึ่งลดความยาวของพวกมันจาก 2 นาโนเมตรเป็น 5 ไมครอน โครโมโซมน้องสาวที่ซ้ำกันสองตัวใหม่เรียกว่า โครมาทิด. ฮิสโตนจับโครมาทิดที่เข้าคู่กันอย่างแน่นหนาตามความยาวของพวกมัน จุดที่เชื่อมติดกันเรียกว่าเซนโทรเมียร์ (ดูแหล่งข้อมูลสำหรับการแสดงภาพสิ่งนี้)

เพื่อเพิ่มการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการจำลองดีเอ็นเอ เซลล์ยูคาริโอตจำนวนมากเป็นแบบดิพลอยด์ ซึ่งหมายความว่าโดยปกติแล้วโครโมโซมของพวกมันจะถูกจัดเรียงเป็นคู่ เซลล์ของมนุษย์ส่วนใหญ่เป็นแบบซ้ำ ยกเว้นเซลล์สืบพันธุ์ เหล่านี้รวมถึงเซลล์ไข่ (ไข่) และเซลล์อสุจิ (สเปิร์ม) ซึ่งเป็นเดี่ยวและมีโครโมโซม 23 ตัว เซลล์ร่างกายของมนุษย์ ซึ่งเป็นเซลล์อื่นๆ ในร่างกายทั้งหมด มีโครโมโซม 46 อัน จัดเรียงเป็น 23 คู่ โครโมโซมที่จับคู่กันเรียกว่าคู่คล้ายคลึงกัน ในช่วง S เฟสของอินเตอร์เฟส เมื่อโครโมโซมแต่ละตัวจากคู่ที่คล้ายคลึงกันดั้งเดิมถูกจำลองแบบ ส่งผลให้โครมาทิดสองพี่น้องจากโครโมโซมเดิมแต่ละโครโมโซมมารวมกันเป็นรูปร่างที่ดูเหมือนติดกาวของ X สองตัว ด้วยกัน. ระหว่างไมโทซิส นิวเคลียสจะแยกออกเป็นนิวเคลียสใหม่สองนิวเคลียส โดยดึงโครมาทิดแต่ละอันออกจากคู่ที่คล้ายคลึงกันแต่ละคู่ออกจากน้องสาวของมัน

หากเซลล์ผ่านจุดตรวจระยะ S ซึ่งกังวลเป็นพิเศษกับการทำให้แน่ใจว่า DNA ไม่ได้รับความเสียหายนั้น จำลองอย่างถูกต้องและทำซ้ำเพียงครั้งเดียว จากนั้นปัจจัยด้านกฎระเบียบก็ยอมให้เซลล์ดำเนินการต่อไปในขั้นต่อไปของ เฟส นี่คือ G₂ซึ่งย่อมาจาก Gap ระยะที่ 2 เช่น G₁. นอกจากนี้ยังเป็นการเรียกชื่อผิดเนื่องจากเซลล์ไม่รอ แต่ช่วงนี้ยุ่งมาก เซลล์ยังคงทำงานตามปกติ จำตัวอย่างเหล่านั้นจาก G₁ ของเซลล์ใบที่ทำการสังเคราะห์ด้วยแสงหรือเซลล์เม็ดเลือดขาวที่ปกป้องร่างกายจากเชื้อโรค นอกจากนี้ยังเตรียมออกจากอินเตอร์เฟสและเข้าสู่ไมโทซิส (เฟส M) ซึ่งเป็นระยะที่สองและสุดท้ายของวัฏจักรเซลล์ ก่อนที่มันจะแบ่งตัวและเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง

อีกด่านระหว่าง G₂ ตรวจสอบให้แน่ใจว่า DNA ถูกจำลองอย่างถูกต้อง และ CDK อนุญาตให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ก็ต่อเมื่อผ่านการรวบรวมเท่านั้น ระหว่าง G₂เซลล์จะจำลองเซนโทรเมียร์ที่จับกับโครมาทิด ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าไมโครทูบูล นี่จะกลายเป็นส่วนหนึ่งของแกนหมุนซึ่งเป็นเครือข่ายของเส้นใยที่จะนำโครมาทิดน้องสาวออกจากกันและไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมในนิวเคลียสที่ถูกแบ่งใหม่ ในระยะนี้ ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ยังแบ่งตัวเมื่อมีอยู่ในเซลล์ เมื่อเซลล์ผ่านจุดตรวจ เซลล์ก็พร้อมสำหรับการแบ่งเซลล์และได้ผ่านสามขั้นตอนของอินเตอร์เฟส ระหว่างไมโทซิส นิวเคลียสจะแบ่งออกเป็น 2 นิวเคลียส และในเวลาเดียวกัน กระบวนการที่เรียกว่า ไซโตไคเนซิส จะแบ่งไซโตพลาสซึมซึ่งหมายถึงส่วนที่เหลือของเซลล์ออกเป็นสองเซลล์ เมื่อสิ้นสุดกระบวนการเหล่านี้ จะมีเซลล์ใหม่สองเซลล์ พร้อมที่จะเริ่ม G₁ เฟสของเฟสอีกครั้ง