Клітинний цикл: визначення, фази, регулювання та факти

Поділ клітини життєво необхідний для росту та здоров’я організму. Майже всі клітини беруть участь у поділі клітин; деякі роблять це кілька разів протягом свого життя. Зростаючий організм, такий як ембріон людини, використовує поділ клітин для збільшення розміру та спеціалізації окремих органів. Навіть зрілі організми, як і дорослий пенсіонер, використовують поділ клітин для підтримки та відновлення тканин тіла. Клітинний цикл описує процес, за допомогою якого клітини виконують призначені для них роботи, ростуть і діляться, а потім починають процес знову з двома отриманими дочірніми клітинами. У 19 столітті технологічні досягнення мікроскопії дозволили вченим визначити, що всі клітини виникають з інших клітин в процесі поділу клітин. Це остаточно спростувало поширену раніше віру в те, що клітини спонтанно генеруються з доступної речовини. Клітинний цикл відповідає за все життя, що триває. Незалежно від того, відбувається це в клітинах водоростей, що чіпляються за скелю в печері, або в клітинах шкіри на руці, кроки однакові.

TL; ДР (занадто довгий; Не читав)

Поділ клітин є життєво важливим для росту та здоров’я організму. Клітинний цикл - це повторюваний ритм росту та поділу клітин. Він складається зі стадій інтерфази та мітозу, а також їх підфаз та процесу цитокінезу. Клітинний цикл суворо регулюється хімічними речовинами на блокпостах на кожному етапі, щоб переконатися в цьому мутації не відбуваються і що ріст клітин відбувається не швидше, ніж те, що корисно для оточуючих тканина.

Клітинний цикл по суті складається з двох фаз. Перша фаза - міжфазна. Під час інтерфази клітина готується до поділу клітини у трьох підфазах G₁ фаза, S фаза і G₂ фаза. До кінця інтерфази всі хромосоми в клітинному ядрі були продубльовані. На всіх цих етапах клітина також продовжує виконувати свої щоденні функції, якими б вони не були. Інтерфаза може тривати дні, тижні, роки - а в деяких випадках і всю тривалість життя організму. Більшість нервових клітин ніколи не залишають G₁ стадія інтерфази, тому вчені визначили спеціальну стадію для таких клітин, як вони називають G₀. Ця стадія призначена для нервових клітин та інших клітин, які не будуть входити в процес поділу клітин. Іноді це тому, що вони просто не готові або не призначені, як нервові клітини або м’язові клітини, і це називається станом спокою. В інших випадках вони занадто старі або пошкоджені, і це називається старінням старіння. Оскільки нервові клітини відокремлені від клітинного циклу, пошкодження їх здебільшого непоправно, на відміну від зламана кістка, і це є причиною того, що люди з травмами хребта або мозку часто мають постійний характер інвалідність.

Називається друга фаза клітинного циклу мітоз, або фаза М. Під час мітозу ядро ​​ділиться навпіл, посилаючи по одній копії кожної продубльованої хромосоми в кожне з двох ядер. Їх чотири стадії мітозу, і це профаза, метафаза, анафаза і телофаза. Приблизно в той самий час, коли відбувається мітоз, відбувається інший процес, який називається цитокінез, що є майже власною фазою. Це процес, за допомогою якого відбувається поділ цитоплазми клітини та всього іншого в ній. Таким чином, коли ядро ​​розпадається навпіл, у навколишній клітині з кожним ядром є два речі. Після завершення поділу плазматична мембрана закривається навколо кожної нової клітини і відщипується, розділяючи дві нові однакові клітини одна від одної повністю. Негайно обидві клітини знову перебувають на першій стадії інтерфази: G₁.

G₁ розшифровується як фаза зазору 1. Термін "розрив" походить з часів, коли вчені відкривали поділ клітин під мікроскопом і виявили мітотичну стадію дуже захоплюючою та важливою. Вони спостерігали поділ ядра та супроводжуючий цитокінетичний процес як доказ того, що всі клітини походять від інших клітин. стадії інтерфази, проте, здавалося статичним і неактивним. Тому вони думали про них як про періоди відпочинку або прогалини в активності. Однак правда полягає в тому, що G₁ - і G₂ в кінці інтерфази - це бурхливі періоди росту клітини, в яких клітина збільшується в розмірах і сприяє добробуту організму будь-яким способом, яким він «народився». На додаток до своїх регулярних клітинних обов'язків, клітина будує такі молекули, як білки та рибонуклеїнова кислота (РНК).

Якщо ДНК клітини не пошкоджена і клітина досить зросла, вона переходить у другу стадію інтерфази, що називається S фаза. Це скорочено для фази синтезу. Під час цієї фази, як випливає з назви, клітина віддає багато енергії синтезуючим молекулам. Зокрема, клітина копіює свою ДНК, дублюючи свої хромосоми. У соматичних клітинах людини є 46 хромосом, які є клітинами, що не є репродуктивними клітинами (сперматозоїди та яйцеклітини). 46 хромосом організовано в 23 гомологічні пари, які з’єднані між собою. Кожна хромосома в гомологічній парі називається гомологом іншої. Коли хромосоми дублюються під час фази S, вони дуже щільно звиваються навколо білка гістона нитки, звані хроматином, що робить процес дублювання менш схильним до помилок реплікації ДНК, або мутація. Тепер називаються дві нові однакові хромосоми хроматиди. Пасма гістонів пов'язують дві однакові хроматиди, так що вони утворюють своєрідну форму Х. Точка, де вони пов'язані, називається центромерою. Крім того, хроматиди все ще приєднані до їх гомолога, який тепер також є Х-подібною парою хроматид. Кожна пара хроматид називається хромосомою; основне правило полягає в тому, що до однієї центромери ніколи не прикріплюється більше однієї хромосоми.

Остання стадія міжфазної є G₂, або фаза зазору 2. Ця фаза отримала свою назву з тих же причин, що і G₁. Так само, як під час Г.₁ і S-фази, клітина залишається зайнятою типовими завданнями протягом всієї стадії, навіть коли вона закінчує роботу міжфазного процесу та готується до мітозу. Для підготовки до мітозу клітина ділить свої мітохондрії, а також хлоропласти (якщо вони є). Він починає синтезувати попередники волокон веретена, які називаються мікротрубочками. Це робить їх шляхом тиражування та складання центромер пар хроматид у його ядро. Волокна веретена будуть мати вирішальне значення для процесу ядерного поділу під час мітозу, коли хромосоми доведеться розірвати на два розділюючі ядра; Переконання, що правильні хромосоми потрапляють до правильного ядра і залишаються в парі з правильним гомологом, є вирішальним для запобігання генетичним мутаціям.

Маркери поділу між фазами клітинного циклу та підфазами інтерфази та мітозу - це штука, яку вчені використовують для опису процесу поділу клітин. У природі процес протікає швидко і нескінченно. Називається перша стадія мітозу профаза. Починається з хромосом у стані, в якому вони перебували наприкінці G₂ стадія інтерфази, тиражована сестринськими хроматидами, прикріпленими центромерами. Під час профази нитка хроматину конденсується, що дозволяє хромосомам (тобто кожній парі сестринських хроматид) стати видимими під світловою мікроскопією. Центромери продовжують переростати в мікротрубочки, які утворюють веретенові волокна. До кінця профази ядерна мембрана руйнується, і волокна веретена з'єднуються, утворюючи структурну мережу по всій цитоплазмі клітини. Оскільки хромосоми зараз вільно плавають у цитоплазмі, волокна веретена є єдиною опорою, яка заважає їм заблукати.

Клітина переходить у метафазу, як тільки ядерна мембрана розчиняється. Волокна веретена переміщують хромосоми до екватора клітини. Ця площина відома як екватор шпинделя або метафазна пластина. Там немає нічого відчутного; це просто площина, де всі хромосоми вибудовуються, і яка ділить клітину навпіл або горизонтально, або вертикально, залежно від того, як ви переглядаєте або уявляєте клітинку (для візуального зображення цього див Ресурси). У людини існує 46 сантиметрів, і кожен з них прикріплений до пари сестер хроматид. Кількість центромер залежить від організму. Кожна центромера з'єднана з двома волокнами веретена. Після виходу з центромери два волокна веретена розходяться, так що вони з’єднуються із структурами на протилежних полюсах клітини.

Клітина переходить в анафазу, яка є найкоротшою з чотирьох фаз мітозу. Волокна веретена, які з’єднують хромосоми з полюсами клітини, вкорочуються і віддаляються до відповідних полюсів. Роблячи це, вони розривають хромосоми, до яких вони прикріплені. Центромери також розпадаються навпіл, коли одна половина рухається з кожною сестрою хроматид до протилежного полюса. Оскільки кожна хроматида тепер має власну центромеру, її знову називають хромосомою. Тим часом різні волокна веретена, прикріплені до обох полюсів, подовжуються, внаслідок чого відстань між двома полюсами клітини зростає, так що клітина вирівнюється і подовжується. Процес анафази відбувається таким чином, що до кінця кожна сторона клітини містить по одній копії кожної хромосоми.

Телофаза є четвертою і заключною стадією мітозу. На цьому етапі надзвичайно щільно упаковані хромосоми, які були ущільнені для підвищення точності реплікації, розкручуються. Волокна веретена розчиняються, і клітинна органела називається ендоплазматичний ретикулум синтезує нові ядерні мембрани навколо кожного набору хромосом. Це означає, що клітина тепер має два ядра, кожне з повним геномом. Мітоз закінчений.

Тепер, коли ядро ​​поділено, решта клітини також повинна поділитися, щоб ці дві клітини могли розлучитися. Цей процес відомий як цитокінез. Це окремий процес від мітозу, хоча він часто відбувається одночасно з мітозом. У клітинах тварин і рослин це трапляється по-різному, тому що там, де клітини тварин мають лише мембрану плазматичних клітин, рослинні клітини мають жорстку клітинну стінку. В обох типах клітин зараз в одній клітині два різні ядра. У клітинах тварин у середній точці клітини утворюється скорочувальне кільце. Це кільце мікрофіламентів, яке закріплюється навколо клітини, стягуючи плазматичну мембрану в центрі, як корсет, поки не створюється така, відома як борозна розщеплення. Іншими словами, скорочувальне кільце змушує клітину формувати пісочний годинник, який стає все більш вираженим, поки клітина повністю не відщеплюється в дві окремі клітини. У рослинних клітинах органела, яка називається комплексом Гольджі, створює везикули, які є зв’язаними з мембраною кишенями рідини вздовж осі, яка розділяє клітину між двома ядрами. Ці везикули містять полісахариди, які необхідні для формування клітинної пластинки, і врешті-решт клітинної пластинки зливається і стає частиною клітинної стінки, в якій колись містилася оригінальна одиночна клітина, але в даний час проживає двоє клітин.

Клітинний цикл вимагає великої регуляції, щоб переконатися, що він не протікає без дотримання певних умов всередині і зовні клітини. Без цього регулювання були б неперевірені генетичні мутації, неконтрольований ріст клітин (рак) та інші проблеми. Клітинний цикл має ряд контрольних точок, щоб переконатися, що справи йдуть правильно. Якщо цього не сталося, проводиться ремонт або ініціюється запрограмована загибель клітини. Одним з основних хімічних регуляторів клітинного циклу є циклінозалежна кіназа (CDK). Існують різні форми цієї молекули, які діють у різні точки клітинного циклу. Наприклад, білок с53 продукується пошкодженою ДНК в клітині і яка деактивує комплекс CDK в G₁/ S контрольний пункт, тим самим зупиняючи прогрес клітини.