วัฏจักรของเซลล์: คำจำกัดความ ขั้นตอน ระเบียบ & ข้อเท็จจริง

การแบ่งเซลล์ มีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตและสุขภาพของสิ่งมีชีวิต เซลล์เกือบทั้งหมดมีส่วนร่วมในการแบ่งเซลล์ บางคนทำหลายครั้งในช่วงอายุขัย สิ่งมีชีวิตที่กำลังเติบโต เช่น ตัวอ่อนของมนุษย์ ใช้การแบ่งเซลล์เพื่อเพิ่มขนาดและความเชี่ยวชาญเฉพาะของอวัยวะแต่ละส่วน แม้แต่สิ่งมีชีวิตที่โตเต็มที่ เช่น มนุษย์วัยเกษียณ ก็ยังใช้การแบ่งเซลล์เพื่อรักษาและซ่อมแซมเนื้อเยื่อของร่างกาย วัฏจักรของเซลล์อธิบายกระบวนการที่เซลล์ทำงานตามที่กำหนดไว้ เติบโตและแบ่งตัว จากนั้นเริ่มกระบวนการอีกครั้งด้วยเซลล์ลูกสาวทั้งสองที่เป็นผลลัพธ์ ในศตวรรษที่ 19 ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในกล้องจุลทรรศน์ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุได้ว่าเซลล์ทั้งหมดเกิดขึ้นจากเซลล์อื่นผ่านกระบวนการแบ่งเซลล์ ในที่สุดสิ่งนี้ก็หักล้างความเชื่อที่แพร่หลายก่อนหน้านี้ว่าเซลล์สร้างขึ้นเองตามธรรมชาติจากสสารที่มีอยู่ วัฏจักรของเซลล์มีหน้าที่รับผิดชอบต่อชีวิตที่ต่อเนื่องทั้งหมด ไม่ว่าจะเกิดขึ้นในเซลล์ของสาหร่ายที่เกาะติดกับหินในถ้ำหรือในเซลล์ของผิวหนังบริเวณแขน ขั้นตอนก็เหมือนกัน

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

การแบ่งเซลล์มีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตและสุขภาพของสิ่งมีชีวิต วัฏจักรของเซลล์เป็นจังหวะการทำซ้ำของการเจริญเติบโตและการแบ่งเซลล์ ประกอบด้วยระยะ interphase และ mitosis เช่นเดียวกับระยะย่อยและกระบวนการของ cytokinesis วัฏจักรของเซลล์ถูกควบคุมอย่างเข้มงวดด้วยสารเคมีที่จุดตรวจตลอดแต่ละขั้นตอนเพื่อให้แน่ใจว่า การกลายพันธุ์จะไม่เกิดขึ้นและการเติบโตของเซลล์ไม่ได้เกิดขึ้นเร็วกว่าสิ่งที่มีประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อม เนื้อเยื่อ.

วัฏจักรของเซลล์โดยพื้นฐานแล้วประกอบด้วยสองขั้นตอน เฟสแรกคือเฟส ระหว่างเฟส เซลล์กำลังเตรียมการแบ่งเซลล์ในสามเฟสย่อยที่เรียกว่า G₁ เฟส, S เฟส และ G₂ เฟส. เมื่อสิ้นสุดเฟส โครโมโซมในนิวเคลียสของเซลล์ได้รับการทำซ้ำทั้งหมด ผ่านขั้นตอนเหล่านี้ทั้งหมด เซลล์ยังคงทำงานประจำวันต่อไป ไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตาม ระยะระหว่างเฟสอาจอยู่ได้นานเป็นวัน สัปดาห์ ปี และในบางกรณีอาจไปตลอดชีวิต เซลล์ประสาทส่วนใหญ่ไม่ทิ้ง G₁ ระยะระหว่างเฟส ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงกำหนดระยะพิเศษสำหรับเซลล์ที่เรียกว่า G₀. ระยะนี้มีไว้สำหรับเซลล์ประสาทและเซลล์อื่นๆ ที่จะไม่เข้าสู่กระบวนการแบ่งเซลล์ บางครั้งอาจเป็นเพราะพวกเขาไม่พร้อมหรือไม่ได้กำหนดไว้ เช่น เซลล์ประสาทหรือเซลล์กล้ามเนื้อ ซึ่งเรียกว่าสภาวะสงบนิ่ง บางครั้งมันเก่าเกินไปหรือเสียหายและที่เรียกว่าภาวะชราภาพ เนื่องจากเซลล์ประสาทแยกออกจากวัฏจักรของเซลล์ ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับเซลล์นั้นส่วนใหญ่ไม่สามารถแก้ไขได้ ไม่เหมือนกับ a กระดูกหัก และนี่คือสาเหตุที่คนกระดูกสันหลังหรือสมองบาดเจ็บบ่อย ความพิการ

ระยะที่สองของวัฏจักรเซลล์เรียกว่า ไมโทซิสหรือเอ็มเฟส. ในระหว่างการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส นิวเคลียสจะแบ่งออกเป็นสองส่วน โดยส่งสำเนาโครโมโซมที่ซ้ำกันแต่ละชุดไปยังแต่ละนิวเคลียสทั้งสองชุด มีสี่ ระยะของไมโทซิสและสิ่งเหล่านี้คือ these คำทำนาย, metaphase, แอนนาเฟส และ telophase. ในเวลาเดียวกันที่ไมโทซิสกำลังเกิดขึ้น กระบวนการอื่นก็เกิดขึ้น เรียกว่า ไซโตไคเนซิสซึ่งเกือบจะเป็นช่วงของตัวเอง นี่เป็นกระบวนการที่ไซโตพลาสซึมของเซลล์และทุกสิ่งทุกอย่างในเซลล์แบ่งตัว ด้วยวิธีนี้ เมื่อนิวเคลียสแยกออกเป็นสองส่วน จะมีทุกสิ่งสองอย่างในเซลล์โดยรอบที่จะไปกับแต่ละนิวเคลียส เมื่อการแบ่งเสร็จสิ้น พลาสมาเมมเบรนจะปิดรอบเซลล์ใหม่แต่ละเซลล์และบีบออก แบ่งเซลล์ที่เหมือนกันใหม่สองเซลล์ออกจากกันอย่างสมบูรณ์ ทันทีที่ทั้งสองเซลล์อยู่ในระยะแรกของอินเตอร์เฟสอีกครั้ง: G₁.

G₁ ย่อมาจาก Gap ระยะที่ 1 คำว่า "ช่องว่าง" มาจากช่วงเวลาที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบการแบ่งเซลล์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ และพบว่าระยะไมโทติคนั้นน่าตื่นเต้นและสำคัญมาก พวกเขาสังเกตเห็นการแบ่งนิวเคลียสและกระบวนการไซโตไคเนติกที่มาพร้อมกันเพื่อพิสูจน์ว่าเซลล์ทั้งหมดมาจากเซลล์อื่น ระยะระหว่างเฟสอย่างไรก็ตาม ดูเหมือนคงที่และไม่ได้ใช้งาน ดังนั้นพวกเขาจึงคิดว่าเป็นช่วงเวลาพักผ่อนหรือช่องว่างในการทำกิจกรรม อย่างไรก็ตาม ความจริงก็คือ G₁ – และ G₂ ที่ส่วนท้ายของระยะ - เป็นช่วงการเจริญเติบโตที่คึกคักสำหรับเซลล์ ซึ่งเซลล์จะมีขนาดโตขึ้นและมีส่วนช่วยให้สิ่งมีชีวิตมีความเป็นอยู่ที่ดีไม่ว่าจะ "เกิดมา" ด้วยวิธีใดก็ตาม นอกเหนือจากหน้าที่ของเซลล์ปกติแล้ว เซลล์ยังสร้างโมเลกุล เช่น โปรตีนและกรดไรโบนิวคลีอิก (RNA)

ถ้า DNA ของเซลล์ไม่ถูกทำลายและเซลล์โตเพียงพอก็จะเข้าสู่ระยะที่ 2 ของ interphase เรียกว่า S เฟส. นี้สั้นสำหรับขั้นตอนการสังเคราะห์ ในระหว่างระยะนี้ ตามที่ชื่อบอกไว้ เซลล์จะทุ่มเทพลังงานจำนวนมากในการสังเคราะห์โมเลกุล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซลล์จำลองดีเอ็นเอ ทำซ้ำโครโมโซมของมัน มนุษย์มีโครโมโซม 46 ตัวในเซลล์โซมาติก ซึ่งเป็นเซลล์ทั้งหมดที่ไม่ใช่เซลล์สืบพันธุ์ (สเปิร์มและไข่) โครโมโซม 46 ตัวจัดเป็น 23 คู่ที่คล้ายคลึงกันที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกัน โครโมโซมแต่ละตัวในคู่ที่คล้ายคลึงกันเรียกว่าโฮโมล็อกของอีกฝ่ายหนึ่ง เมื่อโครโมโซมซ้ำกันในช่วง S พวกมันจะพันรอบโปรตีนฮิสโตนอย่างแน่นหนา เส้นที่เรียกว่า chromatin ซึ่งทำให้กระบวนการทำซ้ำมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดในการจำลองดีเอ็นเอน้อยลงหรือ การกลายพันธุ์ โครโมโซมที่เหมือนกันใหม่สองอันตอนนี้เรียกว่า โครมาทิด. เส้นของฮิสโตนผูกโครมาทิดที่เหมือนกันทั้งสองเข้าด้วยกันเพื่อให้เป็นรูปตัว X จุดที่พวกเขาถูกผูกไว้เรียกว่าเซนโทรเมียร์ นอกจากนี้ โครมาทิดยังคงรวมเข้ากับโฮโมล็อก ซึ่งตอนนี้ยังเป็นโครมาทิดคู่รูปตัว X อีกด้วย โครมาทิดแต่ละคู่เรียกว่าโครโมโซม หลักการทั่วไปคือไม่มีโครโมโซมมากกว่าหนึ่งตัวติดอยู่กับเซนโทรเมียร์หนึ่งตัว

ระยะสุดท้ายของอินเตอร์เฟสคือ G₂, หรือ Gap เฟส 2. เฟสนี้ได้รับชื่อด้วยเหตุผลเดียวกับ G₁. เช่นเดียวกับในช่วง G₁ และเฟส S เซลล์ยังคงยุ่งอยู่กับงานทั่วไปตลอดระยะ แม้ว่าจะเสร็จสิ้นการทำงานของอินเตอร์เฟสและเตรียมสำหรับการแบ่งเซลล์ เพื่อเตรียมการสำหรับไมโทซิส เซลล์จะแบ่งไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ (ถ้ามี) เริ่มสังเคราะห์สารตั้งต้นของเส้นใยสปินเดิลซึ่งเรียกว่าไมโครทูบูล มันสร้างสิ่งเหล่านี้โดยการจำลองและวางเซนโทรเมียร์ของคู่โครมาทิดในนิวเคลียส เส้นใยสปินเดิลมีความสำคัญต่อกระบวนการแบ่งนิวเคลียสระหว่างไมโทซิส เมื่อโครโมโซมจะต้องถูกดึงออกจากกันในนิวเคลียสที่แยกจากกันทั้งสอง การทำให้แน่ใจว่าโครโมโซมที่ถูกต้องจะไปถึงนิวเคลียสที่ถูกต้องและยังคงจับคู่กับโฮโมล็อกที่ถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญ เพื่อป้องกันการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรม

เครื่องหมายแบ่งระหว่างเฟสของวัฏจักรเซลล์และเฟสย่อยของ interphase และ mitosis เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เพื่ออธิบายกระบวนการแบ่งเซลล์ โดยธรรมชาติแล้ว กระบวนการนี้ลื่นไหลและไม่มีวันสิ้นสุด ระยะแรกของไมโทซิสเรียกว่า คำทำนาย. มันเริ่มต้นด้วยโครโมโซมในสถานะที่พวกเขาอยู่ในตอนท้ายของ G₂ ระยะระหว่างเฟส จำลองด้วยซิสเตอร์โครมาทิดที่ยึดด้วยเซนโตรเมียร์ ในระหว่างการพยากรณ์ สายโครมาตินจะควบแน่น ซึ่งช่วยให้โครโมโซม (นั่นคือ โครมาทิดน้องสาวแต่ละคู่) มองเห็นได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง เซนโทรเมียร์ยังคงเติบโตเป็นไมโครทูบูล ซึ่งก่อตัวเป็นเส้นใยสปินเดิล เมื่อสิ้นสุดการพยากรณ์ เยื่อหุ้มนิวเคลียสจะสลายตัว และเส้นใยแกนหมุนเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างโครงข่ายโครงสร้างทั่วทั้งไซโตพลาสซึมของเซลล์ เนื่องจากตอนนี้โครโมโซมลอยได้อิสระในไซโตพลาสซึม เส้นใยสปินเดิลจึงเป็นสิ่งเดียวที่สนับสนุนไม่ให้พวกมันลอยหลงทาง

เซลล์จะเคลื่อนเข้าสู่เมตาเฟสทันทีที่เยื่อหุ้มนิวเคลียสละลาย เส้นใยแกนหมุนเคลื่อนโครโมโซมไปยังเส้นศูนย์สูตรของเซลล์ ระนาบนี้เรียกว่าเส้นศูนย์สูตรของแกนหมุนหรือแผ่นเมตาเฟส ไม่มีอะไรที่จับต้องได้ที่นั่น มันเป็นเพียงระนาบที่โครโมโซมทั้งหมดเรียงกันและแบ่งเซลล์ออกเป็นแนวนอนหรือ ในแนวตั้ง ขึ้นอยู่กับว่าคุณกำลังดูหรือจินตนาการถึงเซลล์อย่างไร (สำหรับการแสดงภาพให้ดูที่ ทรัพยากร) ในมนุษย์มีเซนโตรเมียร์ 46 ตัว และแต่ละตัวติดอยู่กับพี่น้องโครมาทิดคู่หนึ่ง จำนวนเซนโทรเมียร์ขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิต แต่ละเซ็นโตรเมียร์เชื่อมต่อกับเส้นใยแกนหมุนสองเส้น เส้นใยสปินเดิลสองเส้นจะแยกออกจากกันเมื่อออกจากเซนโทรเมียร์ เพื่อเชื่อมต่อกับโครงสร้างบนขั้วตรงข้ามของเซลล์

เซลล์จะเปลี่ยนเป็นแอนาเฟส ซึ่งเป็นช่วงสั้นที่สุดของไมโทซิสทั้งสี่ระยะ เส้นใยแกนหมุนที่เชื่อมต่อโครโมโซมกับขั้วของเซลล์จะสั้นลงและเคลื่อนออกไปยังขั้วของพวกมัน ในการทำเช่นนั้น พวกมันจะดึงโครโมโซมที่ติดอยู่ออกจากกัน centromeres ยังแยกออกเป็นสองส่วนเมื่อครึ่งหนึ่งเดินทางไปกับน้องสาวของ chromatid แต่ละคนไปยังขั้วตรงข้าม เนื่องจากโครมาทิดแต่ละตัวมีเซนโทรเมียร์เป็นของตัวเอง จึงเรียกว่าโครโมโซมอีกครั้ง ในขณะเดียวกัน เส้นใยแกนหมุนต่างๆ ที่ติดอยู่กับขั้วทั้งสองจะยาวขึ้น ทำให้ระยะห่างระหว่างสองขั้วของเซลล์เติบโต เพื่อให้เซลล์แบนและยืดออก กระบวนการของแอนนาเฟสเกิดขึ้นในลักษณะที่ในตอนท้าย แต่ละด้านของเซลล์มีโครโมโซมแต่ละชุดในตอนท้าย

เทโลเฟส คือระยะที่สี่และขั้นสุดท้ายของไมโทซิส ในขั้นตอนนี้ โครโมโซมที่อัดแน่นอย่างยิ่ง – ซึ่งถูกควบแน่นเพื่อเพิ่มความแม่นยำของการจำลอง – จะคลายตัวมันเอง เส้นใยสปินเดิลละลายและออร์แกเนลล์เซลล์ที่เรียกว่า เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม สังเคราะห์เยื่อหุ้มนิวเคลียสใหม่รอบโครโมโซมแต่ละชุด ซึ่งหมายความว่าขณะนี้เซลล์มีนิวเคลียสสองนิวเคลียส แต่ละนิวเคลียสมีจีโนมที่สมบูรณ์ ไมโทซิสเสร็จสมบูรณ์

เมื่อนิวเคลียสถูกแบ่งออกแล้ว เซลล์ที่เหลือก็ต้องแบ่งเช่นกันเพื่อให้ทั้งสองเซลล์สามารถแยกจากกันได้ กระบวนการนี้เรียกว่า ไซโตไคเนซิส. เป็นกระบวนการที่แยกจากไมโทซิส แม้ว่ามักจะเกิดร่วมกับไมโทซิสก็ตาม มันเกิดขึ้นแตกต่างกันในเซลล์สัตว์และพืช เนื่องจากเซลล์สัตว์มีเพียงเยื่อหุ้มเซลล์พลาสมา เซลล์พืชมีผนังเซลล์แข็ง ในเซลล์ทั้งสองชนิด ขณะนี้มีนิวเคลียสที่แตกต่างกันสองนิวเคลียสในเซลล์เดียว ในเซลล์สัตว์ วงแหวนหดตัวจะก่อตัวขึ้นที่จุดกึ่งกลางของเซลล์ นี่คือวงแหวนของไมโครฟิลาเมนต์ที่เกาะรอบๆ เซลล์ ทำให้พลาสมาเมมเบรนตรงกลางแน่นเหมือนรัดตัวจนสร้างสิ่งที่เรียกว่าร่องแตกแยก กล่าวอีกนัยหนึ่ง วงแหวนหดตัวทำให้เซลล์เกิดรูปนาฬิกาทรายที่เด่นชัดมากขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งเซลล์บีบออกเป็นสองเซลล์ที่แยกจากกันโดยสิ้นเชิง ในเซลล์พืช ออร์แกเนลล์ที่เรียกว่า Golgi complex จะสร้างถุงน้ำ ซึ่งเป็นถุงของเหลวที่ผูกกับเมมเบรนตามแนวแกนที่แบ่งเซลล์ระหว่างนิวเคลียสทั้งสอง ถุงน้ำเหล่านั้นมีพอลิแซ็กคาไรด์ที่จำเป็นในการสร้างเพลตเซลล์ และในที่สุดเพลตเซลล์ หลอมรวมกับและกลายเป็นส่วนหนึ่งของผนังเซลล์ที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นที่ตั้งของเซลล์เดี่ยวเดิม แต่ตอนนี้กลายเป็นบ้านของสองเซลล์ เซลล์.

วัฏจักรของเซลล์ต้องการกฎระเบียบอย่างมากเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่ดำเนินไปโดยปราศจากเงื่อนไขบางประการภายในและภายนอกเซลล์ หากไม่มีกฎระเบียบดังกล่าว ก็จะเกิดการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมที่ไม่ถูกตรวจสอบ การเติบโตของเซลล์ที่ไม่สามารถควบคุมได้ (มะเร็ง) และปัญหาอื่นๆ วัฏจักรของเซลล์มีจุดตรวจหลายจุดเพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งต่างๆ กำลังดำเนินไปอย่างถูกต้อง หากไม่เป็นเช่นนั้น จะมีการซ่อมแซมหรือการตายของเซลล์ที่ตั้งโปรแกรมไว้ สารควบคุมทางเคมีหลักของวัฏจักรเซลล์คือไคเนสที่ขึ้นกับไซคลิน (CDK) มีรูปแบบที่แตกต่างกันของโมเลกุลนี้ที่ทำงานที่จุดต่างๆ ในวัฏจักรเซลล์ ตัวอย่างเช่น โปรตีน p53 ถูกผลิตโดย DNA ที่เสียหายในเซลล์ และจะปิดการใช้งาน CDK complex ที่ G₁/S จุดตรวจจึงจับความคืบหน้าของเซลล์