Деление клеток жизненно важно для роста и здоровья организма. Почти все клетки участвуют в делении клеток; некоторые делают это несколько раз в течение своей жизни. Растущий организм, такой как человеческий эмбрион, использует деление клеток для увеличения размеров и специализации отдельных органов. Даже зрелые организмы, такие как взрослый человек на пенсии, используют деление клеток для поддержания и восстановления тканей организма. Клеточный цикл описывает процесс, с помощью которого клетки выполняют назначенную работу, растут и делятся, а затем снова начинают процесс с двумя полученными дочерними клетками. В 19 веке технологические достижения в области микроскопии позволили ученым определить, что все клетки возникают из других клеток в процессе деления клеток. Это, наконец, опровергло широко распространенное ранее убеждение, что клетки самопроизвольно генерируются из доступного вещества. Клеточный цикл ответственен за всю продолжающуюся жизнь. Независимо от того, происходит ли это в клетках водорослей, цепляющихся за камень в пещере, или в клетках кожи на руке, шаги одинаковы.

Фазы клеточного цикла

Клеточный цикл по существу состоит из двух фаз. Первый этап - межфазный. Во время интерфазы клетка готовится к делению клетки в трех субфазах, называемых фазой G1, фазой S и фазой G2. К концу интерфазы все хромосомы в ядре клетки были продублированы. На всех этих этапах клетка также продолжает выполнять свои повседневные функции, какими бы они ни были. Интерфазность может длиться дни, недели, годы - а в некоторых случаях и всю жизнь организма. Большинство нервных клеток никогда не покидают фазу G1 интерфазы, поэтому ученые определили особую стадию для таких клеток, как они, называемую G0. Эта стадия предназначена для нервных клеток и других клеток, которые не будут вступать в процесс деления клетки. Иногда это происходит потому, что они просто не готовы или не предназначены, как нервные клетки или мышечные клетки, и это называется состоянием покоя. В других случаях они слишком стары или повреждены, и это называется состоянием старения. Поскольку нервные клетки отделены от клеточного цикла, их повреждение в основном непоправимо, в отличие от сломанной кости, и именно поэтому люди с травмами позвоночника или головного мозга часто имеют постоянные нарушения.

Вторая фаза клеточного цикла называется митозом, или М-фазой. Во время митоза ядро ​​делится на две части, отправляя по одной копии каждой дублированной хромосомы каждому из двух ядер. Существует четыре стадии митоза: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Примерно в то же время, когда происходит митоз, происходит другой процесс, называемый цитокинезом, который является почти своей собственной фазой. Это процесс, посредством которого цитоплазма клетки и все остальное в ней делится. Таким образом, когда ядро ​​распадается на две части, в окружающей клетке есть два элемента, которые должны идти вместе с каждым ядром. Как только деление завершено, плазматическая мембрана закрывается вокруг каждой новой клетки и сжимается, полностью отделяя две новые идентичные клетки друг от друга. Сразу обе клетки снова находятся на первой стадии интерфазы: G1.

Интерфаза и ее подфазы

G1 обозначает фазу 1 разрыва. Термин «разрыв» происходит от того времени, когда ученые открывали деление клеток под микроскопом и находили митотическую стадию очень интересной и важной. Они наблюдали деление ядра и сопровождающий цитокинетический процесс как доказательство того, что все клетки произошли от других клеток. Стадии интерфазы, однако, казались статичными и неактивными. Поэтому они считали их периодами отдыха или перерывами в активности. Истина, однако, заключается в том, что G1 - и G2 в конце интерфазы - это оживленные периоды роста клетки, в которых клетка увеличивается в размерах и способствует благополучию организма, каким бы образом он «не родился». сделать. В дополнение к своим обычным клеточным обязанностям, клетка строит молекулы, такие как белки и рибонуклеиновая кислота (РНК).

Если ДНК клетки не повреждена и клетка достаточно выросла, она переходит во вторую фазу интерфазы, которая называется S-фазой. Это сокращенно для фазы синтеза. На этом этапе, как следует из названия, клетка выделяет много энергии для синтеза молекул. В частности, клетка реплицирует свою ДНК, дублируя свои хромосомы. У людей есть 46 хромосом в их соматических клетках, которые являются клетками, которые не являются репродуктивными (сперматозоиды и яйцеклетки). 46 хромосом организованы в 23 гомологичных пары, которые объединены. Каждая хромосома в гомологичной паре называется гомологом другой. Когда хромосомы дублируются во время S-фазы, они очень плотно обвиваются вокруг нитей гистоновых белков, называемых хроматином, что делает процесс дупликации менее подверженным ошибкам репликации ДНК или мутациям. Две новые идентичные хромосомы теперь каждая называется хроматидами. Нити гистонов связывают две идентичные хроматиды вместе, образуя вид X-формы. Точка, где они связаны, называется центромером. Кроме того, хроматиды все еще соединены с их гомологом, который теперь также является X-образной парой хроматид. Каждая пара хроматид называется хромосомой; Эмпирическое правило заключается в том, что к одной центромере никогда не может быть прикреплено более одной хромосомы.

Последней стадией интерфазы является G2, или Gap, фаза 2. Эта фаза получила свое название по тем же причинам, что и G1. Как и во время фаз G1 и S, клетка остается занятой своими типичными задачами на протяжении всей стадии, даже когда она заканчивает работу между фазами и готовится к митозу. Чтобы подготовиться к митозу, клетка делит свои митохондрии, а также свои хлоропласты (если есть). Он начинает синтезировать предшественники веретенообразных волокон, которые называются микротрубочками. Это делается путем репликации и укладки центромер пар хроматид в его ядре. Волокна веретена будут иметь решающее значение для процесса деления ядра во время митоза, когда хромосомы должны быть разделены на два разделяющих ядра; важно убедиться, что правильные хромосомы попадают в правильное ядро ​​и остаются в паре с правильным гомологом, крайне важно для предотвращения генетических мутаций.

Разрушение ядерной мембраны в профазе

Маркеры разделения между фазами клеточного цикла и субфазами интерфазы и митоза являются искусством, которое ученые используют для описания процесса клеточного деления. В природе процесс плавный и бесконечный. Первая стадия митоза называется профазой. Он начинается с того, что хромосомы находятся в состоянии, в котором они находились в конце фазы G2 интерфазы, реплицированной сестринскими хроматидами, прикрепленными центромерами. Во время профазы цепь хроматина конденсируется, что позволяет хромосомам (то есть каждой паре сестринских хроматид) становиться видимыми при световой микроскопии. Центромеры продолжают расти в микротрубочки, которые образуют волокна веретена. К концу профазы ядерная мембрана разрушается, и волокна веретена соединяются, образуя структурную сеть по всей цитоплазме клетки. Поскольку хромосомы теперь свободно плавают в цитоплазме, веретенообразные волокна являются единственной опорой, которая удерживает их от отклонения.

Экватор шпинделя в метафазе

Клетка переходит в метафазу, как только ядерная мембрана растворяется. Волокна веретена перемещают хромосомы к экватору клетки. Эта плоскость называется экватором шпинделя или метафазной пластиной. Там нет ничего материального там; это просто плоскость, где все хромосомы выстраиваются в линию, и которая делит клетку на две части по горизонтали или вертикали, в зависимости от того, как вы смотрите или представляете клетку (для визуального представления этого см. Ресурсы). У человека 46 центромер, и каждая прикреплена к паре сестер-хроматид. Количество центромер зависит от организма. Каждый центромер соединен с двумя веретенообразными волокнами. Два волокна веретена расходятся при выходе из центромеры, так что они соединяются со структурами на противоположных полюсах ячейки.

Два ядра в анафазе и телофазе

Клетка превращается в анафазу, которая является самой короткой из четырех фаз митоза. Волокна веретена, которые соединяют хромосомы с полюсами клетки, укорачиваются и уходят к своим соответствующим полюсам. При этом они разрывают хромосомы, к которым они прикреплены. Центромеры также разделены на две части, так как одна половина перемещается с каждой сестрой-хроматидой к противоположному полюсу. Поскольку каждая хроматида теперь имеет свою собственную центромеру, она снова называется хромосомой. В то же время различные волокна веретена, прикрепленные к обоим полюсам, удлиняются, в результате чего расстояние между двумя полюсами клетки увеличивается, так что клетка сплющивается и удлиняется. Процесс анафазы происходит таким образом, что к концу каждая сторона клетки содержит одну копию каждой хромосомы.

Телофаза - четвертая и последняя стадия митоза. На этом этапе чрезвычайно плотно упакованные хромосомы - которые были конденсированы для повышения точности репликации - сами по себе раскручиваются. Волокна веретена растворяются, и клеточная органелла, называемая эндоплазматическим ретикулумом, синтезирует новые ядерные мембраны вокруг каждого набора хромосом. Это означает, что клетка теперь имеет два ядра, каждое с полным геномом. Митоз завершен.

Цитокинез животных и растений

Теперь, когда ядро ​​разделено, остальная часть клетки должна также разделиться, чтобы две клетки могли разделиться. Этот процесс известен как цитокинез. Это отдельный процесс от митоза, хотя он часто сочетается с митозом. Это происходит по-разному в клетках животных и растений, потому что там, где клетки животных имеют только плазматическую клеточную мембрану, клетки растений имеют жесткую клеточную стенку. В клетках обоих типов в настоящее время в одной клетке два разных ядра. В клетках животных в центре клетки образуется сократительное кольцо. Это кольцо микрофиламентов, которые сжимаются вокруг клетки, сжимая плазматическую мембрану в центре, как корсет, пока не создаст так называемую борозду расщепления. Другими словами, сократительное кольцо заставляет ячейку формировать форму песочных часов, которая становится все более и более выраженной, пока ячейка не сжимается в две отдельные ячейки полностью. В растительных клетках органелла, называемая комплексом Гольджи, создает пузырьки, которые представляют собой связанные с мембраной карманы жидкости вдоль оси, которая разделяет клетку между двумя ядрами. Эти везикулы содержат полисахариды, которые необходимы для формирования клеточной пластинки, и клеточная пластинка в конечном итоге сливается с клеточной стенкой и становится ее частью, которая когда-то содержала первоначальную одиночную клетку, но теперь является домом для двух клеток.

Регуляция клеточного цикла

Клеточный цикл требует большой регуляции, чтобы убедиться, что он не протекает без определенных условий внутри и снаружи клетки. Без этой регуляции были бы неконтролируемые генетические мутации, неконтролируемый рост клеток (рак) и другие проблемы. Клеточный цикл имеет несколько контрольных точек, чтобы убедиться, что все идет правильно. Если это не так, производится ремонт или начинается запрограммированная гибель клеток. Одним из основных химических регуляторов клеточного цикла является циклин-зависимая киназа (CDK). Существуют разные формы этой молекулы, которые действуют в разных точках клеточного цикла. Например, белок p53 продуцируется поврежденной ДНК в клетке и деактивирует комплекс CDK на контрольной точке G1 / S, тем самым задерживая прогресс клетки.