Κυτταρικός κύκλος: ορισμός, φάσεις, ρύθμιση & γεγονότα

Περιεχόμενο

• TL · DR (Πολύ μακρύ;
• Οι φάσεις του κυτταρικού κύκλου
• Ενδιάμεση φάση και υποφάσεις της
• Η κατανομή της πυρηνικής μεμβράνης σε προφάση
• Ο Ισημερινός Άξονας στην Μεταφάση
• Δύο πυρήνες στην αναφάση και την τελοφαίρεση
• Κυτταροκίνηση ζώων και φυτών
• Κανονισμός Κύκλου Κυττάρου

Η κυτταρική διαίρεση είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη και την υγεία ενός οργανισμού. Σχεδόν όλα τα κύτταρα εμπλέκονται στην κυτταρική διαίρεση. μερικοί το κάνουν πολλές φορές στη ζωή τους. Ένας αναπτυσσόμενος οργανισμός, όπως ένα ανθρώπινο έμβρυο, χρησιμοποιεί κυτταρική διαίρεση για να αυξήσει το μέγεθος και την εξειδίκευση μεμονωμένων οργάνων. Ακόμη και ώριμοι οργανισμοί, όπως ένας συνταξιούχος ενήλικας άνθρωπος, χρησιμοποιούν κυτταρική διαίρεση για τη συντήρηση και την επιδιόρθωση του ιστού του σώματος. Ο κυκλικός κύκλος περιγράφει τη διαδικασία με την οποία τα κύτταρα πραγματοποιούν τις καθορισμένες εργασίες τους, αναπτύσσονται και διαιρούνται και στη συνέχεια αρχίζουν ξανά τη διαδικασία με τα δύο θυγατρικά κύτταρα που προκύπτουν. Τον 19ο αιώνα, οι τεχνολογικές εξελίξεις στη μικροσκοπία επέτρεψαν στους επιστήμονες να διαπιστώσουν ότι όλα τα κύτταρα προέρχονται από άλλα κύτταρα μέσω της διαδικασίας της κυτταρικής διαίρεσης. Αυτό τελικά διαψεύδει την προηγούμενη ευρέως διαδεδομένη πεποίθηση ότι τα κύτταρα παράγονται αυθόρμητα από διαθέσιμα υλικά. Ο κυτταρικός κύκλος είναι υπεύθυνος για όλη τη διάρκεια ζωής. Ανεξάρτητα από το αν συμβαίνει στα κύτταρα των φυκών που προσκολλώνται σε ένα βράχο σε μια σπηλιά ή στα κύτταρα του δέρματος στο χέρι σας, τα βήματα είναι τα ίδια.

TL · DR (Πολύ μακρύ;

Η κυτταρική διαίρεση είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη και την υγεία ενός οργανισμού. Ο κυτταρικός κύκλος είναι ο επαναλαμβανόμενος ρυθμός της κυτταρικής ανάπτυξης και διαίρεσης. Αποτελείται από τα στάδια ενδοφθάλμιας και μίτωσης, καθώς και από τις υποφάσεις τους, καθώς και από τη διαδικασία της κυτοκίνης. Ο κυτταρικός κύκλος ρυθμίζεται αυστηρά από χημικά σε σημεία ελέγχου σε κάθε βήμα ώστε να διασφαλιστεί ότι δεν θα εμφανιστούν μεταλλάξεις και ότι η ανάπτυξη των κυττάρων δεν θα συμβεί γρηγορότερα από ό, τι είναι υγιές για τον περιβάλλοντα ιστό.

Οι φάσεις του κυτταρικού κύκλου

Ο κυτταρικός κύκλος ουσιαστικά αποτελείται από δύο φάσεις. Η πρώτη φάση είναι ενδιάμεση φάση. Κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης, το κύτταρο προετοιμάζεται για την κυτταρική διαίρεση σε τρεις υποφάσεις που ονομάζονται G₁ φάση S και G₂ φάση. Μέχρι το τέλος της ενδιάμεσης φάσης, τα χρωμοσώματα στον πυρήνα του κυττάρου έχουν όλα αντιγραφεί. Μέσα από όλα αυτά τα στάδια, το κελί συνεχίζει να πηγαίνει για τις καθημερινές του λειτουργίες, όποια κι αν είναι αυτές. Η ενδιάμεση φάση μπορεί να διαρκέσει ημέρες, εβδομάδες, χρόνια - και σε ορισμένες περιπτώσεις, για όλη τη διάρκεια ζωής του οργανισμού. Τα περισσότερα νευρικά κύτταρα δεν αφήνουν ποτέ το G₁ στάδιο της ενδιάμεσης φάσης, έτσι ώστε οι επιστήμονες έχουν ορίσει ένα ειδικό στάδιο για κύτταρα όπως αυτά που ονομάζονται G₀. Αυτό το στάδιο είναι για τα νευρικά κύτταρα και άλλα κύτταρα που δεν πρόκειται να εισέλθουν σε μια διαδικασία κυτταρικής διαίρεσης. Μερικές φορές αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι απλά δεν είναι έτοιμοι ή όχι, όπως νευρικά κύτταρα ή μυϊκά κύτταρα, και αυτό ονομάζεται κατάσταση ηρεμίας. Άλλες φορές, είναι πολύ παλιές ή καταστραφεί, και αυτό ονομάζεται κατάσταση γήρανσης. Δεδομένου ότι τα νευρικά κύτταρα είναι ξεχωριστά από τον κυτταρικό κύκλο, η βλάβη σε αυτά είναι ως επί το πλείστον ανεπανόρθωτη, σε αντίθεση με ένα σπασμένο οστό, και αυτός είναι ο λόγος που τα άτομα με τραυματισμούς στη σπονδυλική στήλη ή στον εγκέφαλο έχουν συχνά μόνιμες αναπηρίες.

Η δεύτερη φάση του κυτταρικού κύκλου ονομάζεται μίτωση ή φάση Μ. Κατά τη διάρκεια της μίτωσης, ο πυρήνας διαιρείται σε δύο αντίγραφα ενός αντιγράφου από κάθε διπλό χρωμόσωμα σε κάθε έναν από τους δύο πυρήνες. Υπάρχουν τέσσερα στάδια μίτωσης, και αυτά είναι προφάσεις, μεταφάσεις, αναφάσεις και τελοφάσες. Την ίδια περίπου περίοδο που συμβαίνει η μίτωση, συμβαίνει μια άλλη διαδικασία, που ονομάζεται κυτοκίνη, η οποία είναι σχεδόν η δική της φάση. Αυτή είναι η διαδικασία με την οποία διαιρείται το κυτταρόπλασμα του κυττάρου και όλα τα άλλα μέσα σε αυτό. Έτσι, όταν ο πυρήνας χωρίζεται σε δύο, υπάρχουν δύο από τα πάντα στο γύρω κύτταρο για να πάει με κάθε πυρήνα. Μόλις ολοκληρωθεί η διαίρεση, η μεμβράνη πλάσματος κλείνει γύρω από κάθε νέο κύτταρο και αποκολλάται, χωρίζοντας εντελώς τα δύο ταυτόσημα κύτταρα από την άλλη. Αμέσως, και τα δύο κύτταρα βρίσκονται στο πρώτο στάδιο της ενδιάμεσης φάσης: G₁.

Ενδιάμεση φάση και υποφάσεις της

σολ₁ αντιπροσωπεύει τη φάση Gap 1. Ο όρος «χάσμα» προέρχεται από μια εποχή που οι επιστήμονες ανακάλυψαν την κυτταρική διαίρεση υπό μικροσκόπιο και βρήκαν τη μιτωτική φάση πολύ συναρπαστική και σημαντική. Παρατήρησαν τον διαχωρισμό του πυρήνα και τη συνοδευτική κυτταροκινητική διαδικασία ως απόδειξη ότι όλα τα κύτταρα προήλθαν από άλλα κύτταρα. Τα στάδια της ενδιάμεσης φάσης, ωστόσο, φάνηκαν στατικά και ανενεργά. Ως εκ τούτου, σκέφτηκαν τους ως περιόδους ανάπαυσης ή κενά στη δραστηριότητα. Η αλήθεια, ωστόσο, είναι ότι ο Γ₁ - και G₂ στο τέλος της ενδιάμεσης φάσης - είναι γεμάτες περίοδοι ανάπτυξης για το κύτταρο, όπου το κύτταρο μεγαλώνει σε μέγεθος και συμβάλλει στην ευημερία του οργανισμού με όποιο τρόπο «γεννήθηκε». Εκτός από τα κανονικά κυτταρικά καθήκοντά του, το κύτταρο χτίζει μόρια όπως οι πρωτεΐνες και το ριβονουκλεϊνικό οξύ (RNA).

Εάν το DNA του κυττάρου δεν έχει υποστεί βλάβη και το κύτταρο έχει αναπτυχθεί αρκετά, προχωρά στο δεύτερο στάδιο της ενδιάμεσης φάσης, που ονομάζεται φάση S. Αυτό είναι σύντομο για τη φάση σύνθεσης. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, όπως υποδηλώνει το όνομα, το κύτταρο αφιερώνει μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας για τη σύνθεση μορίων. Συγκεκριμένα, το κύτταρο αναδιπλασιάζει το DNA του, αντιγράφοντας τα χρωμοσώματα του. Οι άνθρωποι έχουν 46 χρωμοσώματα στα σωματικά τους κύτταρα, τα οποία είναι όλα τα κύτταρα που δεν είναι αναπαραγωγικά κύτταρα (σπέρμα και ωάρια).Τα 46 χρωμοσώματα είναι οργανωμένα σε 23 ομόλογα ζεύγη που ενώνονται μεταξύ τους. Κάθε χρωμόσωμα σε ένα ομόλογο ζεύγος ονομάζεται ομόλογο του άλλου. Όταν τα χρωμοσώματα αντιγραφούν κατά τη διάρκεια της φάσης S, αυτά συσπειρώνονται πολύ στενά γύρω από τους κλώνους πρωτεϊνών ιστόνης που ονομάζονται χρωματίνη, πράγμα που καθιστά τη διαδικασία αντιγραφής λιγότερο επιρρεπή σε σφάλματα αντιγραφής DNA ή μετάλλαξη. Τα δύο νέα πανομοιότυπα χρωμοσώματα είναι τώρα ονομάζονται chromatids. Οι δέσμες των ιστονών δεσμεύουν τα δύο ίδια χρώματα μαζί έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα είδος Χ σχήμα. Το σημείο στο οποίο συνδέονται ονομάζεται κεντρομερές. Επιπλέον, τα χρωματοειδή συνδέονται ακόμη με το ομόλογο τους, το οποίο είναι τώρα επίσης ένα ζεύγος chromatids σε σχήμα Χ. Κάθε ζεύγος chromatids ονομάζεται χρωμόσωμα. ο κανόνας είναι ότι δεν υπάρχει ποτέ πάνω από ένα χρωμόσωμα συνδεδεμένο σε ένα κεντρομερές.

Το τελευταίο στάδιο της ενδιάμεσης φάσης είναι G₂, ή τη φάση Gap 2. Αυτή η φάση δόθηκε για το ίδιο λόγο με τον G₁. Ακριβώς όπως κατά τη διάρκεια του G₁ και S, το κύτταρο παραμένει απασχολημένο με τα τυπικά καθήκοντά του σε όλη τη σκηνή, ακόμα και όταν ολοκληρώνει το έργο της ενδιάμεσης φάσης και προετοιμάζεται για μίτωση. Για να προετοιμαστεί για τη μίτωση, η κυψέλη διαιρεί τα μιτοχόνδρια, καθώς και τους χλωροπλάστες (αν έχει). Αρχίζει να συνθέτει τους προδρόμους των ινών της ατράκτου, που ονομάζονται μικροσωληνίσκοι. Κάνει αυτά με το να αναπαράγουν και να στοιβάζουν τα κεντρομερή των ζαρωμένων ζευγών στον πυρήνα του. Οι ίνες της ατράκτου θα είναι κρίσιμες για τη διαδικασία της πυρηνικής διαίρεσης κατά τη διάρκεια της μίτωσης, όταν τα χρωμοσώματα θα πρέπει να τραβηχτούν χωριστά στους δύο διαχωριστικούς πυρήνες. διασφαλίζοντας ότι τα σωστά χρωμοσώματα φτάνουν στον σωστό πυρήνα και παραμένουν σε συνδυασμό με το σωστό ομόλογο είναι ζωτικής σημασίας για την πρόληψη των γενετικών μεταλλάξεων.

Η κατανομή της πυρηνικής μεμβράνης σε προφάση

Οι διαχωριστικοί δείκτες μεταξύ των φάσεων του κυτταρικού κύκλου και των υποφάσεων της μεσαίας φάσης και της μίτωσης είναι τεχνουργήματα που οι επιστήμονες χρησιμοποιούν για να είναι σε θέση να περιγράψουν τη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης. Στη φύση, η διαδικασία είναι ρευστή και ατελείωτη. Το πρώτο στάδιο της μίτωσης ονομάζεται προφάση. Αρχίζει με τα χρωμοσώματα στην κατάσταση που βρίσκονταν στο τέλος του G₂ στάδιο της ενδιάμεσης φάσης, που αναπαράγεται με χρωματιστές αδελφές συνδεδεμένες με centromeres. Κατά τη διάρκεια της προφανούς φάσης, ο κλώνος της χρωματίνης συμπυκνώνεται, γεγονός που επιτρέπει στα χρωμοσώματα (δηλαδή σε κάθε ζεύγος χρωματοειδών αδελφών) να γίνουν ορατά υπό μικροσκοπία φωτός. Τα centromeres συνεχίζουν να αναπτύσσονται σε μικροσωληνάρια, τα οποία σχηματίζουν ίνες άκρου. Μέχρι το τέλος της προφανούς φάσης, η πυρηνική μεμβράνη διασπάται και οι ίνες της ατράκτου συνδέονται για να σχηματίσουν ένα δομικό δίκτυο σε όλο το κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Δεδομένου ότι τα χρωμοσώματα είναι πλέον ελεύθερα στο κυτταρόπλασμα, οι ίνες της άτρακτος είναι η μόνη υποστήριξη που τους κρατάει από την επιπλέουσα.

Ο Ισημερινός Άξονας στην Μεταφάση

Το κύτταρο μετακινείται σε μεταφάση μόλις διαλύεται η πυρηνική μεμβράνη. Οι ίνες της ατράκτου μετακινούν τα χρωμοσώματα στον ισημερινό του κυττάρου. Αυτό το επίπεδο είναι γνωστό ως ο ισημερινός άξονας ή η πλάκα μετάφασης. Δεν υπάρχει τίποτα απτό εδώ. είναι απλά ένα επίπεδο όπου όλα τα χρωμοσώματα ευθυγραμμίζονται και το οποίο διαχωρίζει το κελί είτε οριζόντια είτε κάθετα, ανάλογα με τον τρόπο που βλέπετε ή φαντάζεστε το κύτταρο (για μια οπτική αναπαράσταση αυτού, βλ. Πόρων). Στους ανθρώπους, υπάρχουν 46 κεντρομερή, και κάθε ένας συνδέεται με ένα ζευγάρι χρωματιστών αδελφών. Ο αριθμός των centromeres εξαρτάται από τον οργανισμό. Κάθε centromere συνδέεται με δύο ίνες άξονα. Οι δύο ίνες της ατράκτου αποκλίνουν μόλις εγκαταλείψουν το κεντρομερές, έτσι ώστε να συνδεθούν με δομές σε αντίθετους πόλους της κυψέλης.

Δύο πυρήνες στην αναφάση και την τελοφαίρεση

Το κύτταρο μετατοπίζεται σε αναφάση, η οποία είναι η πιο σύντομη από τις τέσσερις φάσεις της μίτωσης. Οι ίνες της ατράκτου που συνδέουν τα χρωμοσώματα στους πόλους της κυψέλης συντομεύονται και απομακρύνονται προς τους αντίστοιχους πόλους τους. Με αυτόν τον τρόπο, απομακρύνονται τα χρωμοσώματα που συνδέονται με αυτά. Τα κεντρομερή χωρίζονται επίσης σε δύο όπως το ένα μισό ταξιδεύει με κάθε αδελφή chromatid προς έναν αντίθετο πόλο. Δεδομένου ότι κάθε chromatid έχει τώρα το δικό του centromere, λέγεται και πάλι ένα χρωμόσωμα. Εν τω μεταξύ, οι διαφορετικές ίνες της ατράκτου που συνδέονται με τους δύο πόλους επιμηκύνονται, προκαλώντας την αύξηση της απόστασης μεταξύ των δύο πόλων του κυττάρου, έτσι ώστε το κύτταρο να ισιώνει και να επιμηκύνεται. Η διαδικασία της αναφάσης συμβαίνει με τέτοιο τρόπο ώστε, μέχρι το τέλος, κάθε πλευρά του κυττάρου να περιέχει ένα αντίγραφο του κάθε χρωμοσώματος.

Η τελοφαίρεση είναι το τέταρτο και τελευταίο στάδιο της μίτωσης. Σε αυτό το στάδιο, τα εξαιρετικά σφιχτά συσκευασμένα χρωμοσώματα - τα οποία συμπυκνώθηκαν για να αυξήσουν την ακρίβεια της αντιγραφής - ξετυλίγονται. Οι ίνες της ατράκτου διαλύονται και ένα κυτταρικό οργανίδιο που ονομάζεται ενδοπλασματικό δίκτυο συνθέτει νέες πυρηνικές μεμβράνες γύρω από κάθε σύνολο χρωμοσωμάτων. Αυτό σημαίνει ότι το κύτταρο έχει τώρα δύο πυρήνες, ο καθένας με ένα πλήρες γονιδίωμα. Η μίτωση είναι πλήρης.

Κυτταροκίνηση ζώων και φυτών

Τώρα που ο πυρήνας έχει διαιρεθεί, το υπόλοιπο κύτταρο πρέπει να χωριστεί επίσης έτσι ώστε τα δύο κύτταρα να μπορούν να χωριστούν. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως κυτοκίνη. Πρόκειται για μια ξεχωριστή διαδικασία από τη μίτωση, αν και συμβαίνει συχνά με μίτωση. Αυτό συμβαίνει διαφορετικά στα ζωικά και φυτικά κύτταρα, επειδή όπου τα ζωικά κύτταρα έχουν μόνο μεμβράνη κυττάρων πλάσματος, τα φυτικά κύτταρα έχουν ένα άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα. Και στα δύο είδη κυττάρων υπάρχουν δύο ξεχωριστοί πυρήνες σε ένα κύτταρο. Στα ζωικά κύτταρα σχηματίζεται ένας συστομικός δακτύλιος στο μέσο του κυττάρου. Αυτός είναι ένας δακτύλιος των μικροϊνών που τσιμπούρι γύρω από το κύτταρο, σφίγγοντας τη μεμβράνη του πλάσματος στο κέντρο σαν κορσέ μέχρι να δημιουργήσει αυτό που είναι γνωστό ως σχισμή διάσπασης. Με άλλα λόγια, ο συστολικός δακτύλιος αναγκάζει το κύτταρο να σχηματίσει ένα σχήμα κλεψύδρας που γίνεται όλο και πιο έντονο, έως ότου το κελί απομακρυνθεί πλήρως σε δύο ξεχωριστά κύτταρα. Στα φυτικά κύτταρα ένα οργανίδιο που ονομάζεται σύμπλεγμα Golgi δημιουργεί κυστίδια, τα οποία είναι δεσμευμένες με μεμβράνη θύλακες υγρού κατά μήκος του άξονα που διαιρεί το κύτταρο μεταξύ των δύο πυρήνων. Αυτά τα κυστίδια περιέχουν πολυσακχαρίτες που χρειάζονται για να σχηματίσουν την κυτταρική πλάκα και η κυτταρική πλάκα τελικά συγχωνεύεται και γίνεται τμήμα του κυτταρικού τοιχώματος που μόλις φιλοξένησε το αρχικό μεμονωμένο κύτταρο, αλλά τώρα φιλοξενεί δύο κύτταρα.

Κανονισμός Κύκλου Κυττάρου

Ο κυκλικός κύκλος απαιτεί μεγάλη ρύθμιση για να βεβαιωθεί ότι δεν προχωράει χωρίς να πληρούνται ορισμένες προϋποθέσεις μέσα και έξω από το κελί. Χωρίς αυτήν τη ρύθμιση, θα υπήρχαν μη ελεγχόμενες γενετικές μεταλλάξεις, κυτταρική ανάπτυξη εκτός ελέγχου (καρκίνος) και άλλα προβλήματα. Ο κυκλικός κύκλος έχει έναν αριθμό σημείων ελέγχου για να βεβαιωθείτε ότι τα πράγματα προχωρούν σωστά. Αν δεν συμβαίνουν, γίνονται επισκευές ή αρχίζει προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος. Ένας από τους κύριους χημικούς ρυθμιστές του κυτταρικού κύκλου είναι η εξαρτώμενη από κυκλίνη κινάση (CDK). Υπάρχουν διάφορες μορφές αυτού του μορίου που λειτουργούν σε διαφορετικά σημεία του κυτταρικού κύκλου. Για παράδειγμα, η πρωτεΐνη ρ53 παράγεται από κατεστραμμένο ϋΝΑ στο κύτταρο και η οποία θα απενεργοποιεί το σύμπλοκο CDK στο G₁/ S, περιορίζοντας έτσι την πρόοδο της κυψέλης.