Определение клеточного цикла
клетка цикл – это цикл стадий, через которые проходят клетки, чтобы позволить им делиться и производить новые клетки. Иногда его называют «деление клеток цикл »по этой причине.
Новые клетки рождаются через деление их «родительской» клетки, производя две «дочерние» клетки из одной «родительской» клетки.
Дочерние клетки начать жизнь с малого, содержащую только половину родительской ячейки цитоплазма и только одна копия ДНК, которая является «планом» или «исходным кодом» клетки для выживания. Чтобы делиться и производить собственные «дочерние клетки», новорожденные клетки должны расти и производить больше копий жизненно важных клеточных механизмов – включая их ДНК.
Две основные части клеточного цикла митоз а также интерфаза.
Митоз – это фаза деления клеток, во время которой «родительская клетка» делится, создавая две «дочерние клетки».
Самая длинная часть клеточного цикла называется «интерфазой» – фазой роста и репликации ДНК между митотическими клеточными делениями.
И митоз, и межфаза делятся на более мелкие подфазы, которые необходимо выполнить, чтобы деление, рост и развитие клеток проходили гладко. Здесь мы сосредоточимся на интерфазе, поскольку фазы митоза были рассмотрены в нашей статье «Митоз».
Интерфаза состоит как минимум из трех отдельных стадий, на которых клетка растет, производит новые органеллы, реплицирует свою ДНК и, наконец, делится.
Только после того, как клетка выросла, поглощая питательные вещества и скопировав свою ДНК и другие важные клеточные механизмы, эта «дочерняя клетка» может делиться, становясь «родительской» для двух собственных «дочерних клеток».
На рисунке ниже показано визуальное представление клеточного цикла. Небольшая секция, помеченная буквой «М», представляет митоз, в то время как межфаза показана подразделенной на основные компоненты: фазы G1, S и G2.
Этот клеточный цикл используется всеми эукариотическими клетками для производства новых клеток. Прокариотические клетки, такие как бактерии использовать процесс под названием «двойное деление «.
Для некоторых одноклеточный эукариот, клеточный цикл такой же, как и репродуктивный цикл. Их «дочерние клетки» являются независимыми организмами, которые будут размножаться через митоз.
У других организмов клеточный цикл используется для роста и развития одного организм, в то время как другие методы используются, чтобы воспроизвести организм.
Например, животные и некоторые растения создают новое потомство в процессе половое размножение который включает в себя создание и сочетание специальных половых клеток.
Но животные и растения все еще используют клеточный цикл для производства новых клеток в своих тканях. Это позволяет этим многоклеточный организмы растут и заживают на протяжении всей жизни.
Функция клеточного цикла
Поскольку клетки размножаются путем деления, новые «дочерние» клетки меньше, чем их родительские клетки, и могут наследовать минимальный клеточный механизм, необходимый им для выживания.
Прежде чем эти дочерние клетки смогут делиться, чтобы произвести еще больше клеток, они должны вырастить и воспроизвести свои клеточные механизмы.
Важность клеточного цикла можно понять, выполнив простую математику о делении клетки. Если бы клетки не росли между делениями, каждое поколение «дочерних» клеток было бы только вдвое меньше родительского. Это стало бы неприемлемым довольно быстро!
Чтобы осуществить этот рост и подготовиться к клеточному делению, клетки делят свою метаболическую активность на отдельные фазы Gap 1, Synthesis, Gap 2 между клеточными делениями.
Полный цикл клеточного деления будет обсуждаться ниже.
Фазы клеточного цикла
Митоз
Давайте начнем этот клеточный цикл с «рождения».
Во время митоза «родительская» клетка проходит сложную серию шагов, чтобы гарантировать, что каждая «дочерняя» клетка получит материалы, необходимые для выживания, включая копию каждой хромосома, После правильной сортировки материалов «родительская» ячейка делится на середину, сжимая свою мембрану пополам.
Вы можете прочитать больше о детальных шагах митоза и о том, как родительская клетка гарантирует, что ее дочерние клетки унаследуют то, что им нужно для выживания, в нашей статье о митозе (https://biologydictionary.net/mitosis/ ).
Каждая из новых «дочек» теперь является независимо живущей клеткой. Но они маленькие и имеют только одну копию своего генетического материала.
Это означает, что они не могут разделить, чтобы произвести своих собственных «дочерей» сразу. Во-первых, они должны проходить через «фазу» – фазу между делениями, которая состоит из трех отдельных фаз.
Фаза G1
В фазе G1 новообразованная дочерняя клетка растет. Чаще всего говорят, что «G» обозначает «пробел», поскольку сторонним наблюдателям со световым микроскопом эти фазы кажутся относительно неактивными «пробелами» в активности клетки.
Однако, учитывая то, что мы знаем сегодня, было бы точнее сказать, что «G» означает «рост», поскольку «G» фазы – это потоки белка и органеллы производство, а также буквальное увеличение размера клетки.
Во время первой фазы «роста» или «разрыва» клетка производит много важных материалов, таких как белки и рибосомы. Клетки, которые зависят от специализированных органелл, таких как хлоропласты и митохондрии сделать намного больше этих органелл во время G1. Размер ячейки может увеличиться, поскольку она ассимилирует больше материала из окружающей среды в свои механизмы для жизни.
Это позволяет клетке увеличить выработку энергии и общий обмен веществ, готовя ее к…
S фаза
Во время S-фазы клетка реплицирует свою ДНК. «S» означает «синтез» – относится к синтезу новых хромосом из сырья.
Это очень энергоемкая операция, поскольку многие нуклеотиды необходимо синтезировать. Многие эукариотические клетки имеют десятки хромосом – огромные массы ДНК, которые необходимо скопировать.
Производство других веществ и органелл значительно замедляется в течение этого времени, так как клетка фокусируется на репликации всего своего генома.
Когда S-фаза завершена, клетка будет иметь два полных набора своего генетического материала. Это имеет решающее значение для деления клеток, так как гарантирует, что обе дочерние клетки могут получить копию «плана», необходимого им для выживания и размножения.
Однако репликация его ДНК может сделать клетку немного истощенной. Вот почему это должно пройти …
Фаза G2
Точно так же, как первая фаза «пробела» клеточного цикла, фаза G2 характеризуется большой продукцией белка.
Во время G2 многие клетки также проверяют правильность и целостность обеих копий своей ДНК. Если обнаруживается, что ДНК клетки повреждена, она может не пройти свою «контрольную точку G2 / M» – названную так, потому что эта «контрольная точка» происходит в конце фазы G2, прямо между G2 и «фазой M» или «Митозом». »
Этот «контрольный пункт G2 / M» является очень важной мерой безопасности для многоклеточных организмов, таких как животные. Рак, который может привести к гибели всего организма, может возникать при размножении клеток с поврежденной ДНК. Проверяя, не повреждена ли ДНК клеток непосредственно перед репликацией, животные и некоторые другие организмы снижают риск развития рака.
Интересно, что некоторые организмы могут вообще пропускать G2 и сразу переходить в митоз после синтеза ДНК во время S-фазы. Однако большинству организмов безопаснее использовать G2 и связанную с ним контрольную точку!
Если контрольная точка G2 / M пройдена, цикл ячейки начинается снова. Клетка делится с помощью митоза, и новые дочерние клетки начинают цикл, который пройдет их через фазы G1, S и G2, чтобы произвести новые собственные дочерние клетки.
Если, конечно, они не предназначены для …
Альтернативный путь: фаза G0
Будучи рожденными в результате митоза, некоторые клетки не должны делиться, чтобы производить дочерние клетки.
Например, нейроны – нервные клетки животных – не делятся. Их «родительские клетки» являются стволовыми клетками, а «дочерние» нейронные клетки запрограммированы так, чтобы сами не проходить клеточный цикл, потому что неконтролируемый рост нейронов и деление клеток могут быть очень опасными для организма.
Таким образом, вместо того, чтобы войти в фазу G1 после рождения, нейроны входят в фазу, которую ученые называют «фазой G0». Это метаболическое состояние, предназначенное только для поддержания дочерней клетки, а не для подготовки к делению клетки.
Нейроны и другие неделящиеся типы клеток могут проводить всю свою жизнь в фазе G0, выполняя свою функцию для всего организма, даже не разделяясь и не размножаясь.
Регуляция клеточного цикла
Для выживания клеток и организмов очень важно, чтобы клеточный цикл регулировался.
Организмы должны быть в состоянии остановить деление клеток, когда соответствующая клетка повреждена или когда не хватает пищи для поддержки нового роста; они также должны быть в состоянии начать деление клеток, когда необходимы рост или заживление ран.
Для этого в клетках используются различные химические «сигнальные каскады», где несколько звеньев в цепочке создают сложные эффекты, основанные на простых сигналах.
В этих регуляторных каскадах один белок может изменять функцию многих других белков, вызывая широко распространенные изменения в функционировании или даже структуре клетки.
Это позволяет этим белкам, таким как циклины и циклинзависимые киназы, действовать как «точки остановки». Если циклины или циклинзависимые киназы не дают добро, клетка не может перейти на последующие стадии клеточного цикла.
Некоторые примеры регуляции клеточного цикла приведены ниже.
Примеры клеточного цикла
Здесь мы обсудим общие примеры того, как клетки регулируют свои клеточные циклы, используя сложный каскад сигнальных молекул, белковых активирующих ферментов и разрушающих сигнал молекул.
p53
p53 – это белок, который хорошо известен ученым благодаря своей роли в предотвращении размножения клеток с серьезным повреждением ДНК.
Когда ДНК повреждена, р53 работает с циклин-зависимыми протеинкиназами и другими белками, чтобы инициировать функции восстановления и защиты, а также может препятствовать проникновению клеток в митоз, гарантируя, что клетки с поврежденной ДНК не размножаются.
Циклины
Циклины – это группа белков, которые вырабатываются в разных точках клеточного цикла. Есть циклины, уникальные для большинства фаз клеточного цикла – G1-циклины, G1 / S-циклины, которые регулируют переход из G1 в S, S-циклины и М-циклины, которые регулируют процесс прохождения стадий митоза.
Большинство циклинов обнаруживаются в клетке в очень низких концентрациях во время других фаз клеточного цикла, но затем внезапно всплескивают, когда они необходимы для того, чтобы перейти к следующей стадии клеточного цикла. Определенные типы повреждений ДНК могут препятствовать появлению этих циклинов для продвижения клеточного цикла вперед или могут препятствовать активации их циклин-зависимых протеинкиназ.
Некоторые другие, такие как циклины G1, остаются высокими в качестве постоянного сигнала «вперед» от G1 до митоза.
Циклин-зависимые протеинкиназы
Циклины клетки в конечном итоге выполняют свою работу, взаимодействуя с циклин-зависимыми протеинкиназами, то есть киназами, которые активируют определенные ферменты и белки, когда они связываются с циклином. Это позволяет циклинам функционировать как сигнал «идти» для многих изменений клеточной активности, которые происходят в течение клеточного цикла.
Протеинкиназы представляют собой особый набор ферментов, которые «активируют» другие ферменты и белки, прикрепляя к ним фосфатные группы. Когда фермент или другой белок «активируется» киназой, его поведение изменяется до тех пор, пока он не вернется к своей инактивированной форме.
Система, с помощью которой одна протеинкиназа может изменять активность многих других белков, позволяет простым сигналам, таким как циклины, вызывать сложные изменения клеточной активности. Сигнал-зависимые протеинкиназы используются для координации многих сложных клеточных активностей.
Фактор, способствующий созреванию
Одним из примеров протеинкиназы в действии является фактор, способствующий созреванию, или MPF. MPF представляет собой протеинкиназу, которая активируется циклином М. Это означает, что она активируется во время митоза.
Когда MPF активируется, он, в свою очередь, активирует несколько различных белков в ядерной оболочке клетки-хозяина. Изменения этих белков приводят к распаду ядерной оболочки.
Это то, что было бы очень опасно в других точках клеточного цикла, но это необходимо во время митоза, чтобы можно было отсортировать хромосомы, чтобы каждая дочерняя клетка получила копию каждой хромосомы.
Если M циклинов не появляются, MPF не активируется, и митоз не может идти вперед. Это хороший пример того, как циклины и циклинзависимые киназы работают вместе, чтобы координировать или останавливать клеточный цикл.
Анафазный промотирующий комплекс / Циклосома
Гениально, протеинкиназа MPF не только обеспечивает разрушение ядерной оболочки во время митоза, но и гарантирует, что уровни MPF упадут после разрушения ядерной оболочки. Это происходит путем активации анафаза -Промышленный комплекс / циклосома, или «APC / C» для краткости.
Как следует из его названия, APC / C способствует проходу в Anaphase – и одним из способов, которым он это делает, является разрушение MPF, мессенджера из предыдущей фазы. Таким образом, MPF фактически активирует те самые белки, которые его разрушают.
Разрушение MPF с помощью APC / C гарантирует, что действия, которые MPF продвигает, такие как разрушение ядерной оболочки, больше не произойдут, пока дочерняя ячейка не сделает больше MPF после прохождения фазы G1, фазы S и фазы G2.
Активируя APC / C, MPF сам регулируется!
викторина
1. Что из нижеперечисленного НЕ является причиной, по которой необходим интерфазный режим?A. Дочерние клетки начинают жизнь только с одной копии своей ДНК.B. Дочерние клетки начинают жизнь с малого, без достаточного клеточного механизма, чтобы перейти к дочерним клеткам.C. Если бы клетки выполняли митоз повторно, не проходя интерфазу, каждое поколение дочерних клеток будет постепенно уменьшаться.D. Все вышеперечисленное.
Ответ на вопрос № 1
D верно. Клетки должны пройти через фазу, чтобы расти, копировать свою ДНК и гарантировать, что они готовы создать здоровое новое поколение дочерних клеток.
2. Какой из следующих организмов вы НЕ ожидаете использовать клеточный цикл, описанный здесь?A. МаргариткаB. КотенокC. архебактерии D. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 2
С верно. Архебактерии и «настоящие бактерии» являются прокариотами. Они воспроизводят, используя подобный, но более простой цикл роста и деления.
3. Что из следующего верно для фазы G2?A. Это когда ДНК клетки копируется.B. Это первая фаза клеточного цикла после митоза.C. Он содержит важную контрольную точку G2 / M, которая проверяет клетку на наличие повреждений ДНК, прежде чем позволить ей размножаться.D. Ни один из вышеперечисленных.
Ответ на вопрос № 3
С верно. Фаза G2 является последней фазой перед митозом – и местом жизненно важного G2 / M, который делает рак менее вероятным, предотвращая размножение клеток с серьезным повреждением ДНК.
Ссылки
- Купер Г. М. (1997). Клетка: молекулярный подход. Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press.
- Taylor, W.R. & Stark, G.R. (2001). Регуляция перехода G2 / M р53. Онкоген, 20 (15), 1803-1815. DOI: 10.1038 / sj.onc.1204252