Ученые впервые наблюдали процесс деления клеток в конце 1800-х годов. Последовательное микроскопическое доказательство того, что клетки расходуют энергию и материал на копирование и деление, опровергает широко распространенную теорию о том, что новые клетки возникли в результате самопроизвольного рождения. Ученые начинали понимать феномен клеточного цикла; это процесс, посредством которого клетки «рождаются» в результате деления клеток, а затем живут своей жизнью, занимаясь своими повседневными клеточными действиями, пока не настало время самим делиться клетками.

Существует множество причин, по которым клетка не может пройти через деление. Некоторые клетки в организме человека просто нет; например, большинство нервных клеток в конечном итоге прекращают деление клеток, поэтому человек, который переносит повреждение нерва, может страдать от постоянного двигательного или сенсорного дефицита.

Однако, как правило, клеточный цикл представляет собой процесс, который состоит из двух фаз: интерфазной и митозной. Митоз является частью клеточного цикла, который включает деление клетки, но средняя клетка проводит 90 процентов своей жизни в интерфазе, что просто означает, что клетка живет и растет, а не делится. Есть три подфазы в интерфазе. Это G1-фаза, S-фаза и G2-фаза.

Деление клеток у прокариот и эукариот

Одноклеточные организмы, такие как бактерии, называются прокариотами, и когда они участвуют в делении клеток, их целью является размножение бесполым путем; они создают потомство. Деление прокариотических клеток называется бинарным делением, а не митозом. Прокариоты обычно имеют только одну хромосому, которая даже не содержится в ядерной мембране, и им не хватает органелл, которые есть у других видов клеток. Во время бинарного деления прокариотическая клетка делает копию своей хромосомы, а затем прикрепляет каждую сестринскую копию хромосомы к противоположной стороне своей клеточной мембраны. Затем он начинает образовывать трещину в своей мембране, которая сжимается внутрь в процессе, называемом инвагинацией, пока не разделяется на две идентичные, отдельные клетки. Клетки, которые являются частью митотического клеточного цикла, являются эукариотическими клетками. Это не отдельные живые организмы, а клетки, которые существуют как взаимодействующие единицы более крупных организмов. Клетки в ваших глазах, костях или клетках языка вашей кошки или травинки на лужайке перед вами - все это эукариотические клетки. Они содержат гораздо больше генетического материала, чем прокариот, поэтому процесс деления клеток также намного сложнее.

Первая фаза разрыва

Клеточный цикл получил свое название, потому что клетки постоянно делятся, начиная жизнь заново. Как только клетка делится, это конец фазы митоза, и она немедленно начинает интерфазу снова. Конечно, на практике клеточный цикл происходит плавно, но ученые разграничивают фазы и субфазы внутри процесса, чтобы лучше понять микроскопические строительные блоки жизни. Вновь разделенная ячейка, которая в настоящее время является одной из двух ячеек, которые ранее были одной ячейкой, находится в субфазе G1 интерфазы. G1 - сокращение для фазы «Gap»; будет еще один с надписью G2. Вы также можете увидеть их как G1 и G2. Когда ученые обнаружили под микроскопом напряженную, фундаментальную клеточную работу митоза, они интерпретировали относительно менее драматическую интерфазу как фазу покоя или паузы между клеточными делениями.

Они назвали стадию G1 словом «пробел», используя эту интерпретацию, но в этом смысле это неправильно. На самом деле G1 - это скорее стадия роста, чем стадия отдыха. На этом этапе клетка делает все то, что нормально для ее типа. Если это лейкоцит, он будет выполнять защитные действия для иммунной системы. Если это листовая клетка на растении, она будет выполнять фотосинтез и газообмен. Клетка, вероятно, будет расти. Некоторые клетки растут медленно во время G1, в то время как другие растут очень быстро. Клетка синтезирует молекулы, такие как рибонуклеиновая кислота (РНК) и различные белки. В определенный момент на поздней стадии G1 ячейка должна «решить», следует ли перейти к следующей стадии интерфазы.

Контрольные точки Интерфазы

Молекула, называемая циклин-зависимой киназой (CDK), регулирует клеточный цикл. Эта регуляция необходима для предотвращения потери контроля над ростом клеток. Неконтролируемое деление клеток у животных является еще одним способом описания злокачественной опухоли или рака. CDK обеспечивает сигналы в контрольных точках во время определенных точек клеточного цикла для того, чтобы клетка продолжила или сделала паузу. Определенные факторы окружающей среды способствуют тому, обеспечивает ли CDK эти сигналы. К ним относятся наличие питательных веществ и факторов роста, а также плотность клеток в окружающей ткани. Плотность клеток - это особенно важный метод саморегуляции, используемый клетками для поддержания скорости роста здоровой ткани. CDK регулирует клеточный цикл во время трех стадий интерфазы, а также во время митоза (который также называется М-фазой).

Если ячейка достигает контрольной контрольной точки и не получает сигнала для продолжения цикла ячейки (например, если она находится в конце G1 в фазе и ожидает входа в S-фазу в фазе), возможны две вещи что клетка могла сделать. Во-первых, это может сделать паузу, пока проблема решена. Если, например, какой-то необходимый компонент поврежден или отсутствует, может быть произведен ремонт или добавление, а затем он снова может приблизиться к контрольно-пропускному пункту. Другой вариант для ячейки состоит в том, чтобы войти в другую фазу, называемую G0, которая находится вне цикла ячейки. Это обозначение относится к клеткам, которые будут продолжать функционировать так, как они должны, но не перейдут к S-фазе или митозу и, как таковые, не будут участвовать в делении клеток. Считается, что большинство нервных клеток взрослого человека находятся в фазе G0, поскольку они обычно не переходят в S-фазу или митоз. Клетки в фазе G0 считаются покоящимися, что означает, что они находятся в неделящемся состоянии, или стареющими, что означает, что они умирают.

Во время фазы G1 интерфазы существуют две контрольные контрольные точки, через которые клетка должна пройти, прежде чем продолжить. Каждый оценивает, повреждена ли ДНК клетки, и если это так, ДНК должна быть восстановлена, прежде чем она сможет продолжить работу. Даже когда ячейка готова к переходу в S-фазу интерфазы, есть еще одна контрольная точка, чтобы убедиться, что условия окружающей среды, то есть состояние окружающей среды, непосредственно окружающей ячейку, являются благоприятными. Эти условия включают плотность клеток окружающей ткани. Когда клетка имеет необходимые условия для перехода от фазы G1 к S, белок циклина связывается с CDK, обнажая активную часть молекулы, которая сигнализирует клетке, что пора начинать фазу S. Если ячейка не удовлетворяет условиям для перехода из фазы G1 в фазу S, циклин не активирует CDK, что предотвратит прогрессирование. В некоторых случаях, таких как поврежденная ДНК, белки-ингибиторы CDK будут связываться с молекулами CDK-циклина, чтобы предотвратить прогрессирование, пока проблема не будет устранена.

Синтез генома

Как только ячейка входит в S-фазу, она должна продолжаться до конца клеточного цикла, не возвращаясь или не возвращаясь к G0. Однако на протяжении всего процесса существует больше контрольных точек, чтобы гарантировать, что шаги выполняются должным образом, прежде чем ячейка перейдет к следующей фазе клеточного цикла. «S» в S-фазе означает синтез, потому что клетка синтезирует или создает совершенно новую копию своей ДНК. В клетках человека это означает, что клетка образует совершенно новый набор из 46 хромосом во время S-фазы. Эта стадия тщательно регулируется, чтобы не допустить перехода ошибок на следующую стадию; эти ошибки являются мутациями. Мутации случаются достаточно часто, но правила клеточного цикла предотвращают их появление. Во время репликации ДНК каждая хромосома становится чрезвычайно свернутой вокруг нитей белков, называемых гистонами, уменьшая их длину с 2 нанометров до 5 микрон. Две новые повторяющиеся сестринские хромосомы называются хроматидами. Гистоны связывают две совпадающие хроматиды вместе, плотно наполовину по их длине. Точка, в которой они соединяются, называется центромером. (См. Ресурсы для визуального представления этого.)

Чтобы добавить к сложным движениям, происходящим во время репликации ДНК, многие эукариотические клетки являются диплоидными, что означает, что их хромосомы обычно располагаются парами. Большинство клеток человека являются диплоидными, за исключением репродуктивных клеток; к ним относятся ооциты (яйца) и сперматоциты (сперма), которые являются гаплоидными и имеют 23 хромосомы. Человеческие соматические клетки, которые являются всеми другими клетками организма, имеют 46 хромосом, расположенных в 23 парах. Парные хромосомы называются гомологичной парой. Во время фазы S интерфазы, когда каждая отдельная хромосома из исходной гомологичной пары реплицируется, получающиеся две сестринские хроматиды из каждой исходной хромосомы соединяются, образуя фигуру, которая выглядит как два X, склеенные вместе. Во время митоза ядро ​​расколется на два новых ядра, вытягивая по одному из каждой хроматиды из каждой гомологичной пары от своей сестры.

Подготовка к делению клеток

Если клетка проходит контрольные точки S-фазы, что особенно важно для обеспечения того, чтобы ДНК не была повреждена, чтобы она реплицировалась правильно и чтобы она реплицировалась только один раз, то регуляторные факторы позволяют клетке переходить к следующей стадии интерфазы. Это G2, который обозначает Gap-фазу 2, как и G1. Это также неправильно, так как клетка не ждет, но очень занята на этом этапе. Клетка продолжает делать свою обычную работу. Вспомните эти примеры из G1 клетки листа, выполняющей фотосинтез, или лейкоцита, защищающего организм от патогенов. Он также готовится покинуть интерфазу и войти в митоз (M-фаза), который является второй и последней стадией клеточного цикла, прежде чем он разделится и начнется снова и снова.

Другая контрольная точка во время G2 гарантирует, что ДНК была реплицирована правильно, а CDK позволяет ей двигаться вперед, только если она проходит проверку. Во время G2 клетка реплицирует центромеру, которая связывает хроматиды, образуя то, что называется микротрубочкой. Это станет частью веретена, представляющего собой сеть волокон, которые будут направлять сестринские хроматиды друг от друга и к их надлежащим местам во вновь разделенных ядрах. Во время этой фазы митохондрии и хлоропласты также делятся, когда они присутствуют в клетке. Когда клетка превысила свои контрольные точки, она готова к митозу и закончила три этапа интерфазы. Во время митоза ядро ​​разделится на два ядра, и почти одновременно процесс, называемый цитокинезом, разделит цитоплазму, то есть остальную часть клетки, на две клетки. К концу этих процессов появятся две новые ячейки, готовые снова начать стадию G1 интерфазы.