Rakutsükkel: määratlus, faasid, regulatsioon ja faktid

Sisu

• TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)
• Rakutsükli faasid
• Interfaas ja selle alafaasid
• Tuumamembraani jaotus profaasis
• Spindli ekvaator metafaasis
• Kaks tuuma anafaasis ja telofaasis
• Loomade ja taimede tsütokinees
• Rakutsükli regulatsioon

Rakkude jagunemine on organismi kasvu ja tervise jaoks ülioluline. Peaaegu kõik rakud osalevad rakkude jagunemises; mõned teevad seda elu jooksul mitu korda. Kasvav organism, näiteks inimese embrüo, kasutab rakkude jagunemist üksikute elundite suuruse ja spetsialiseerumise suurendamiseks. Isegi küpsed organismid, nagu pensioniealine täiskasvanud inimene, kasutavad rakkude jagunemist keha koe hooldamiseks ja parandamiseks. Rakutsükkel kirjeldab protsessi, mille käigus rakud täidavad oma määratud ülesanded, kasvavad ja jagunevad ning seejärel alustavad protsessi kahe saadud tütarrakuga uuesti. 19. sajandil võimaldasid tehnoloogilised edusammud mikroskoopias teadlastel kindlaks teha, et kõik rakud tekivad rakkude jagunemise kaudu teistest rakkudest. See lükkas lõpuks ümber varem levinud arvamuse, et rakud tekivad saadaolevast ainest spontaanselt. Rakutsükkel vastutab kogu käimasoleva elu eest. Sõltumata sellest, kas see juhtub koopa kivi külge klammerduvate vetikate rakkudes või teie käe naha rakkudes, on sammud samad.

TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)

Rakkude jagunemine on organismi kasvu ja tervise jaoks ülioluline. Rakutsükkel on rakkude kasvu ja jagunemise korduv rütm. See koosneb faasidest, faasidest ja mitoosidest, samuti nende alafaasidest ja tsütokineesi protsessist. Rakutsüklit reguleerivad igas etapis kontrollpunktides rangelt kemikaalid, veendumaks, et mutatsioone ei toimu ja raku kasv ei toimu kiiremini kui see, mis on ümbritsevale koele tervislik.

Rakutsükli faasid

Rakutsükkel koosneb sisuliselt kahest faasist. Esimene faas on faasidevaheline. Interfaasi ajal valmistub rakk rakkude jagunemiseks kolmes alafaasis, mida nimetatakse G-ks₁ faas, S faas ja G₂ faas. Interfaasi lõpuks on rakutuumas olevad kromosoomid kõik dubleeritud. Kõigi nende etappide vältel jätkab rakk ka oma igapäevaseid funktsioone, olenemata neist. Interfaas võib kesta päevi, nädalaid, aastaid - ja mõnel juhul kogu organismi eluea jooksul. Enamik närvirakke ei lahku kunagi G-st₁ faasi vahelist faasi, seega on teadlased määranud sellistele rakkudele spetsiaalse etapi, mida nimetatakse G-ks₀. See etapp on ette nähtud närvirakkudele ja teistele rakkudele, mis ei lähe raku jagunemise protsessi. Mõnikord on selle põhjuseks see, et nad pole lihtsalt närvirakkude või lihasrakkude jaoks valmis või pole selleks määratud, ja seda nimetatakse puhkeseisundiks. Teinekord on nad liiga vanad või kahjustatud ja seda nimetatakse vananemisseisundiks. Kuna närvirakud asuvad rakutsüklist eraldi, on nende kahjustused erinevalt purustatud luust enamasti parandamatud ja see on põhjus, et lülisamba või ajuvigastustega inimestel on sageli püsiv puue.

Rakutsükli teist faasi nimetatakse mitoosiks ehk M-faasiks. Mitoosi ajal jaguneb tuum kaheks, tuues igast dubleeritud kromosoomist ühe eksemplari mõlemasse tuuma. Mitoosil on neli etappi ja need on profaas, metafaas, anafaas ja telofaas. Ligikaudu samal ajal, kui toimub mitoos, toimub teine ​​protsess, mida nimetatakse tsütokineesiks, mis on peaaegu oma faas. See on protsess, mille käigus raku tsütoplasma ja kõik muu selles jaguneb. Nii, kui tuum jaguneb kaheks, on ümbritsevas rakus kaks tuumaga kaasas käivat. Kui jagunemine on lõppenud, sulgeb plasmamembraan iga uue raku ümber ja pigistab end ära, jagades kaks uut identset rakku teineteisest täielikult. Kohe on mõlemad rakud jälle faasivahelises faasis: G₁.

Interfaas ja selle alafaasid

G₁ tähistab lünka 1. etapp. Mõiste “tühimik” pärineb ajast, kui teadlased avastasid mikroskoobi all rakkude jagunemist ja leidsid, et mitootiline staadium on väga põnev ja oluline. Nad vaatlesid tuuma jagamist ja sellega kaasnevat tsütokineetilist protsessi tõendina, et kõik rakud pärinevad teistest rakkudest. Interfaaside etapid tundusid aga staatilised ja passiivsed. Seetõttu pidasid nad neid puhkeperioodideks või lünkadeks tegevuses. Tõde on aga see, et G₁ - ja G₂ interfaasi lõpus - on raku hoogsad kasvuperioodid, mille jooksul rakk kasvab suurusega ja aitab organismi heaolule kaasa ükskõik, mis viisil ta sündis. Lisaks regulaarsetele rakuülesannetele ehitab rakk molekule nagu valgud ja ribonukleiinhape (RNA).

Kui raku DNA pole kahjustatud ja rakk on piisavalt kasvanud, liigub see faasi teise faasi, mida nimetatakse S-faasiks. See on lühike sünteesi faas. Selle faasi ajal, nagu nimigi ütleb, pühendab rakk molekulide sünteesimiseks palju energiat. Täpsemalt replitseerib rakk oma DNA, dubleerides oma kromosoome. Inimeste somaatilistes rakkudes on 46 kromosoomi, mis on kõik rakud, mis ei ole reproduktiivrakud (sperma ja munarakud).46 kromosoomi on jaotatud 23 homoloogiliseks paariks, mis on omavahel ühendatud. Iga homoloogse paari kromosoomi nimetatakse teise homoloogiks. Kui kromosoomid S faasi ajal dubleeruvad, rullitakse need kromatoiiniks nimetatava histooni valgu ahelate ümber väga tihedalt, mis muudab duplikatsiooniprotsessi vähem tõenäoliseks DNA replikatsioonivigade või mutatsioonide tekkeks. Neid kahte uut identset kromosoomi nimetatakse nüüd komatiidideks. Histoonide ahelad seovad kaks identset kromatiidi omavahel nii, et nad moodustavad mingi X-kuju. Punkti, kus nad on seotud, nimetatakse tsentromeeriks. Lisaks on kromatiidid endiselt ühendatud nende homoloogiga, mis on nüüd ka X-kujuline kromatiidide paar. Iga kromatiidide paari nimetatakse kromosoomiks; rusikareegel on see, et ühe tsentromeetri külge ei kinnitu kunagi rohkem kui üks kromosoom.

Interfaasi viimane etapp on G₂või lünk 2. etapp. Sellele faasile anti nimi samadel põhjustel nagu G₁. Nii nagu G ajal₁ ja S-faasis jääb rakk hõivatud oma tüüpiliste ülesannetega kogu etapi vältel, isegi kui see lõpetab interfaasi töö ja valmistub mitoosiks. Mitoosi ettevalmistamiseks jagab rakk oma mitokondrid, aga ka kloroplastid (kui neid on). See hakkab sünteesima spindlikiudude eelkäijaid, mida nimetatakse mikrotuubuliteks. See muudab need kromatiidipaaride tsentromeere replitseerides ja virnastades tuumas. Spindlikiud on mitoosi ajal tuumajagunemise protsessis üliolulised, kui kromosoomid tuleb eraldada kahte eraldavasse tuuma; Geneetiliste mutatsioonide ennetamiseks on oluline veenduda, et õiged kromosoomid jõuaksid õigesse tuumasse ja püsiksid koos õige homoloogiga.

Tuumamembraani jaotus profaasis

Jaotusmarkerid rakutsükli faaside ning faasidevahelise ja mitoosi alafaaside vahel on esemed, mida teadlased kasutavad rakkude jagunemise protsessi kirjeldamiseks. Looduses on protsess sujuv ja lõputu. Mitoosi esimest etappi nimetatakse profaasiks. See algab kromosoomidega sellises olekus, nagu nad olid G lõpus₂ interfaasi staadium, mida korratakse tsentromeeride abil kinnitatud õdekromatiididega. Profaasi ajal kondenseerub kromatiini ahel, mis võimaldab kromosoomidel (see tähendab iga õdekromatiidi paari) valgusmikroskoobiga nähtavaks saada. Tsentromeerid kasvavad mikrotuubuliteks, millest moodustuvad spindlikiud. Profaasi lõpuks laguneb tuumamembraan ja spindli kiud ühenduvad, moodustades kogu raku tsütoplasmas struktuurse võrgu. Kuna kromosoomid hõljuvad nüüd tsütoplasmas vabalt, on spindli kiud ainus tugi, mis hoiab neid ujuvalt eksimast.

Spindli ekvaator metafaasis

Rakk liigub metafaasi niipea, kui tuumamembraan on lahustunud. Spindelkiud viivad kromosoomid raku ekvaatorisse. Seda tasapinda nimetatakse spindli ekvaatoriks või metafaasiplaadiks. Seal pole midagi käegakatsutavat; see on lihtsalt tasapind, kus kõik kromosoomid rivistuvad ja mis poolitab raku kas horisontaalselt või vertikaalselt, sõltuvalt sellest, kuidas te rakku vaatate või ette kujutate (selle visuaalse ülevaate saamiseks vt ressursse). Inimestel on 46 tsentromeeri ja igaüks neist on kinnitatud kromatiidiõdede paari külge. Tsentromeeride arv sõltub organismist. Iga tsentromeer on ühendatud kahe spindlikiuduga. Kaks spindlikiudu lahkuvad tsentromeerist lahkudes, nii et need ühenduvad raku vastaspoolustel asuvate struktuuridega.

Kaks tuuma anafaasis ja telofaasis

Rakk nihkub anafaasi, mis on lühim mitoosi neljast faasist. Spindelkiud, mis ühendavad kromosoome raku poolustega, lühenevad ja nihkuvad vastavate pooluste poole. Seejuures tõmbavad nad lahti kromosoomid, mille külge nad on kinnitatud. Tsentromeerid jagunevad ka kaheks, kuna üks pool liigub iga kromatiidiõega vastaspooluse poole. Kuna igal kromatiidil on nüüd oma tsentromeer, nimetatakse seda uuesti kromosoomiks. Samal ajal pikenevad mõlemale poolusele kinnitatud erinevad spindlikiud, põhjustades raku kahe pooluse vahelise kauguse kasvu, nii et rakk lameneb ja pikeneb. Anafaasi protsess toimub nii, et lõpuks sisaldab raku iga külg kromosoomi ühte eksemplari.

Telofaas on mitoosi neljas ja viimane etapp. Selles etapis keerduvad eriti tihedalt pakitud kromosoomid, mis replikatsiooni täpsuse suurendamiseks kondenseerusid. Spindli kiud lahustuvad ja raku organell, mida nimetatakse endoplasmaatiliseks retikulumiks, sünteesib uusi kromosoomikomplektide ümber uusi tuumembraane. See tähendab, et rakul on nüüd kaks tuuma, kõigil täielik genoom. Mitoos on täielik.

Loomade ja taimede tsütokinees

Nüüd, kui tuum on jagunenud, tuleb ka ülejäänud rakk jagada, nii et kaks rakku saavad osa lahutada. Seda protsessi nimetatakse tsütokineesiks. See on mitoosist eraldi protsess, kuigi sageli toimub see koos mitoosiga. Looma- ja taimerakkudes juhtub see erinevalt, sest kus loomarakkudel on ainult plasmaraku membraan, on taimerakkudel jäik rakusein. Mõlemat tüüpi rakkudes on nüüd ühes rakus kaks erinevat tuuma. Loomarakkudes moodustub raku keskpunktis kontraktiilne ring. See on mikrofilamentide rõngas, mis kisub ümber raku, pingutades plasmamembraani keskelt nagu korsett, kuni see loob nn lõhestatud vagu. Teisisõnu, kokkutõmbav rõngas põhjustab raku moodustava liivakella kuju, mis muutub üha tugevamaks, kuni rakk pigistub täielikult kaheks eraldi lahtriks. Taimerakkudes tekitab Golgi kompleksiks nimetatud organell vesiikulid, mis on membraaniga seotud vedeliketaskud piki telge, mis jagab raku kahe tuuma vahel. Need vesiikulid sisaldavad polüsahhariide, mida on vaja rakuplaadi moodustamiseks, ning rakuplaat sulandub lõpuks raku seinaga, mis kunagi asus algses üksikus rakus, kuid on nüüd kahe raku koduks.

Rakutsükli regulatsioon

Rakutsükkel nõuab palju reguleerimist, et veenduda, et see ei kulge ilma teatud tingimusteta rakus ja väljaspool. Ilma selle regulatsioonita tekiks kontrollimata geneetilisi mutatsioone, kontrollimatu rakkude kasvu (vähk) ja muid probleeme. Lahtritsüklil on mitu kontrollpunkti, et veenduda, et asjad kulgevad õigesti. Kui neid pole, tehakse parandusi või käivitatakse programmeeritud rakusurm. Rakutsükli üheks peamiseks keemiliseks regulaatoriks on tsükliinist sõltuv kinaas (CDK). Sellel molekulil on erinevad vormid, mis töötavad rakutsükli erinevates punktides. Näiteks valku p53 produtseerib rakus kahjustatud DNA ja see inaktiveerib CDK kompleksi G₁/ S kontrollpunkt, peatades seeläbi lahtri käigu.