Stages of the Cell Cycle for AP Biology (AP) (copy)

Ос

новные положения клеточного цикла

• Клеточный цикл — это последовательность событий, через которые проходит клетка по мере роста и деления. Он является основополагающим для жизненного цикла клетки, позволяя организмам расти, восстанавливать ткани и заменять мертвые или поврежденные клетки. Процесс клеточного цикла строго регулируется для обеспечения точного и эффективного деления клеток. Нарушения в этой регуляции могут привести к заболеваниям, таким как рак, при котором клетки делятся неконтролируемо.

• Клеточный цикл состоит из нескольких фаз, в основном: Интерфаза, Митоз и Цитокинез.

Интерфаза (G1, S и G2)

• Интерфаза — самая длинная фаза клеточного цикла, составляющая более 90% от общего времени цикла. Это период роста и подготовки к делению. В течение этой фазы клетка проходит различные процессы, которые подготавливают почву для успешного митоза.

• Фаза G1 (Первый промежуток):

Фаза G1 является первой фазой интерфазы. Она характеризуется интенсивным ростом, клеточной активностью и синтезом белка. Клетка еще не готовится к репликации ДНК, но она производит необходимые белки и органеллы, требуемые для функционирования клетки.

Кроме того, она проводит проверки, чтобы убедиться, что окружающая среда подходит для синтеза ДНК. Это включает проверку на повреждение ДНК и определение, достаточно ли ресурсов (таких как питательные вещества) для продолжения клетки к следующей фазе. Если условия не благоприятны, клетка может приостановиться в этой фазе и войти в состояние покоя, известное как фаза G0, где она не делится.

• S Фаза (Синтез):

S фаза — это фаза, в которой происходит ключевое событие — репликация ДНК. В течение этой фазы дублируется весь геном клетки. Это гарантирует, что при делении клетки обе дочерние клетки получат идентичный набор хромосом. Каждая хромосома реплицируется, в результате чего образуются две идентичные сестринские хроматиды, соединенные центромерой. Эта фаза необходима для поддержания генетической согласованности в поколениях клеток.

• G2 Фаза (Второй промежуток):

G2 фаза является заключительной фазой интерфазы. В течение этой фазы клетка продолжает расти и производить белки, необходимые для митоза. Она также проводит окончательную проверку, чтобы убедиться, что ДНК реплицировалась правильно и отсутствуют ошибки в генетическом материале. Если обнаружены какие-либо проблемы, клетка может приостановиться в этой фазе, чтобы попытаться исправить их. Если повреждение слишком серьезное, клетка может войти в запрограммированную клеточную смерть, или апоптоз, чтобы предотвратить передачу дефектной ДНК дочерним клеткам.

• Фаза G0

G0 фаза — это состояние, когда клетки выходят из клеточного цикла и остаются неактивными. Клетки в G0 не готовятся к делению. Эта фаза может быть временной или постоянной, в зависимости от типа клетки. Например, нейроны и мышечные клетки обычно находятся в фазе G0 на протяжении всей жизни, в то время как клетки кожи и клетки кишечника активно делятся.

Митоз

Митоз — это процесс, при котором ядро клетки делится, гарантируя, что каждая дочерняя клетка получает полный, идентичный набор хромосом. Митоз необходим для роста, развития и восстановления тканей. Хотя митоз является единым процессом, он разделен на несколько отдельных стадий:

• Профаза:
  В профазе хроматин (нити ДНК) конденсируется в отдельные хромосомы, видимые под микроскопом. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой. Ядерная мембрана начинает разрушаться, и веретена деления начинают формироваться из структур, называемых центросомами. Эти волокна в конечном итоге помогут разделить хромосомы во время митоза.

• Метафаза:

Во время метафазы хромосомы выстраиваются вдоль метафазной пластинки, воображаемой линии в центре клетки. Веретена деления, которые простираются от центросом на противоположных полюсах клетки, прикрепляются к центромерам хромосом, удерживая их на месте. Такое выравнивание гарантирует, что хромосомы будут равномерно распределены между двумя дочерними клетками.

• Анафаза:
  В анафазе центромеры хромосом разделяются, и сестринские хроматиды оттягиваются к противоположным полюсам клетки веретенами деления. Это разделение гарантирует, что каждая дочерняя клетка получит одну копию каждой хромосомы, поддерживая генетическую стабильность. После разделения хроматиды называются отдельными хромосомами.

• Телофаза:
  Во время телофазы разделенные хромосомы достигают противоположных полюсов клетки. Ядерные мембраны начинают восстанавливаться вокруг каждого набора хромосом, создавая два отдельных ядра внутри клетки. Хромосомы начинают деконденсироваться и возвращаются в свое нитевидное состояние хроматина, готовясь к следующей фазе.

Цитокинез

Цитокинез — это заключительный этап деления клетки, когда цитоплазма делится, в результате чего образуются две отдельные дочерние клетки. В то время как митоз обеспечивает равное распределение ядер родительской клетки, цитокинез обеспечивает соответствующее деление остальной части клетки.

• В животных клетках: Цитокинез происходит путем образования борозды деления. Борозда деления — это углубление, которое образуется вдоль центра клетки, и поскольку актиновые нити сокращаются, клеточная мембрана защемляется, в конечном итоге разделяя цитоплазму на две отдельные дочерние клетки.

• В растительных клетках: Цитокинез отличается, потому что растительные клетки имеют жесткую клеточную стенку. Клеточная пластинка образуется вдоль центра клетки, где сливаются везикулы, содержащие материалы клеточной стенки. Со временем клеточная пластинка становится новой клеточной стенкой, разделяющей две дочерние клетки.

Регуляция клеточного цикла

Клеточный цикл строго контролируется, чтобы гарантировать, что клетка делится только при необходимости. Контрольные точки — это механизмы контроля, которые оценивают, были ли ключевые процессы завершены точно, прежде чем клетка перейдет к следующей фазе. Например:

• G1 контрольная точка: Клетка проверяет повреждение ДНК, достаточные ресурсы и благоприятные условия окружающей среды.

• G2 контрольная точка: Клетка проверяет, что репликация ДНК успешно завершена.

• M контрольная точка: Клетка гарантирует, что все хромосомы правильно выровнены на метафазной пластинке перед началом анафазы.

Сигнально-ответные пути с участием факторов роста помогают регулировать клеточный цикл. Эти внешние сигналы могут побудить клетку к делению, выходу из цикла или переходу в состояние покоя (G0). Клетка также может реагировать на внутренние сигналы, такие как повреждение ДНК, которые могут остановить цикл, чтобы позволить восстановление, или вызвать апоптоз, если повреждение не подлежит исправлению.

• Анафаза:
  Стадия митоза, на которой сестринские хроматиды разделяются и оттягиваются к противоположным полюсам клетки. Это важный шаг для обеспечения того, чтобы каждая дочерняя клетка получила идентичный набор хромосом.

• Центриоли:
  Цилиндрические структуры в животных клетках, которые играют решающую роль в организации веретен деления во время митоза. Эти структуры обеспечивают правильное разделение хромосом, закрепляя веретена деления, которые расходятся хроматидами во время анафазы.

• Центросома:

Структура около ядра в эукариотических клетках, которая организует микротрубочки и играет центральную роль в митозе, инициируя образование веретенного аппарата. Она содержит пару центриолей в животных клетках и помогает в правильной ориентации и делении хромосом.

• Борозда деления:
  Вдавление, которое образуется в клеточной мембране во время цитокинеза в животных клетках. Оно отмечает начало деления цитоплазмы, так как актиновые нити сокращаются, чтобы разделить мембрану на две части, в результате чего образуются две отдельные дочерние клетки.

• Клеточная пластинка:
  Структура, образующаяся в растительных клетках во время цитокинеза. Она состоит из везикул, наполненных материалами клеточной стенки, которые сливаются в середине делящейся клетки. Со временем клеточная пластинка развивается в новую клеточную стенку, эффективно разделяя дочерние клетки.

• Хроматин:
  Комплекс ДНК и белков (гистонов), который существует в неплотно свернутой форме внутри ядра во время интерфазы. Во время митоза хроматин конденсируется в хромосомы, чтобы обеспечить точное разделение генетического материала.

• Митоз:
  Фаза клеточного цикла, в которой ядро делится, образуя два генетически идентичных дочерних ядра. Он необходим для роста, развития и восстановления, включая процессы профазы, метафазы, анафазы и телофазы.

• Фаза G0:
  Стадия покоя в клеточном цикле, когда клетки выходят из цикла и больше не активно делятся. Клетки в фазе G0 обычно находятся в quiescentном состоянии. Это характерно для высокоспециализированных, дифференцированных клеток, таких как нейроны и мышечные клетки, но некоторые могут повторно входить в цикл в ответ на внешние сигналы.

• Телофаза:
  Последняя стадия митоза, на которой разделенные хромосомы достигают противоположных полюсов клетки. Ядерные мембраны восстанавливаются вокруг каждого набора хромосом, создавая два отдельных ядра внутри клетки. Хроматин начинает возвращаться в свое нитевидное состояние, готовясь к завершению митоза.

• Интерфаза:
  Фаза клеточного цикла, в которой клетка растет и готовится к делению. Она подразделяется на фазы G1, S и G2. Интерфаза является самой длинной фазой клеточного цикла, в течение которой клетка выполняет свои обычные функции и готовит свою ДНК к репликации и делению.

• Фаза G1 (Первый промежуток):
  Первая фаза интерфазы, где клетка растет и синтезирует белки и органеллы, необходимые для нормального функционирования. Это также фаза, где клетка проверяет повреждение ДНК и определяет, готова ли она к репликации ДНК.

• S Фаза (Синтез):
  Фаза интерфазы, в которой происходит репликация ДНК. Каждая хромосома реплицируется, в результате чего образуются две идентичные сестринские хроматиды, что гарантирует, что каждая дочерняя клетка получит полный набор хромосом.

• G2 Фаза (Второй промежуток):
  Фаза интерфазы после репликации ДНК, где клетка продолжает расти и производить белки, необходимые для митоза. Клетка также проводит окончательные проверки, чтобы убедиться, что репликация ДНК прошла успешно и что она готова к делению.

• Веретена деления:
  Микротрубочки, которые образуются во время митоза и помогают разделять хромосомы. Они прикрепляются к центромерам хромосом и тянут их к противоположным полюсам во время анафазы, обеспечивая точное распределение хромосом в каждую дочернюю клетку.

• Веретенный аппарат:
  Структура, состоящая из веретен деления, которые образуются во время митоза для организации и разделения хромосом. Аппарат отвечает за движение хромосом во время митоза и гарантирует, что каждая дочерняя клетка получит правильное количество хромосом.

• Хромосомы:
  Высококонденсированная форма хроматина, содержащая генетический материал (ДНК). Хромосомы видны во время митоза и необходимы для обеспечения равного распределения генетической информации в обеих дочерних клетках.

• Ядрышко:
  Малая, плотная структура внутри ядра, где синтезируется рибосомная РНК (рРНК) и собираются рибосомные субъединицы. Ядрышко исчезает во время профазы и восстанавливается во время телофазы.

• Циклины:
  Семейство белков, которые регулируют прогрессию клеточного цикла. Циклины связываются с циклин-зависимыми киназами (CDK) для их активации, вызывая переходы между различными фазами клеточного цикла, обеспечивая правильное время и регуляцию.

• Циклин-зависимые киназы (CDK):
  Ферменты, которые, будучи активированными связыванием с циклинами, управляют прогрессией клеточного цикла. CDK контролируют ключевые контрольные точки и обеспечивают продвижение клетки только при благоприятных условиях.

• Контрольная точка:
  Регуляторный механизм, который отслеживает прогресс клеточного цикла и гарантирует, что каждая фаза завершена правильно, прежде чем перейти к следующей. Ключевые контрольные точки происходят в фазах G1, G2 и M, и они помогают предотвратить ошибки, такие как повреждение ДНК или неполная репликация.

• Факторы роста:
  Внешние сигналы, обычно белки, которые способствуют делению клеток. Эти факторы участвуют в сигнально-ответном пути, направляя клетки к инициации деления, когда это необходимо, например, для роста или восстановления тканей.

• Апоптоз:
  Форма запрограммированной клеточной смерти, которая происходит, когда клетка получила значительные повреждения, например, от ошибок ДНК во время репликации. Он помогает предотвратить распространение поврежденных клеток, тем самым защищая организм от таких заболеваний, как рак.

• Сигнально-ответный путь:
  Последовательность молекулярных событий, вызванных сигналами (такими как факторы роста), которые активируют или ингибируют клеточный цикл. Эти пути играют ключевую роль в регуляции деления клеток и реагировании на изменения окружающей среды.

• Теломеры:
  Защитные колпачки на концах хромосом, которые предотвращают потерю генетического материала во время репликации ДНК. Теломеры укорачиваются при каждом делении клетки, и когда они становятся слишком короткими, клетка больше не может делиться и может войти в апоптоз.

• Гены-супрессоры опухолей:
  Гены, которые производят белки, ингибирующие клеточный цикл или индуцирующие апоптоз в поврежденных клетках. p53 является хорошо известным геном-супрессором опухолей, который играет критическую роль в предотвращении пролиферации поврежденных клеток, тем самым защищая от рака.

• Онкогены:
  Мутировавшие версии нормальных генов (называемых протоонкогенами), которые могут способствовать неконтролируемому делению клеток. Эти мутации часто возникают в ответ на внешние факторы, такие как канцерогены или радиация, и связаны с развитием рака.

Понимание этих ключевых терминов крайне важно для понимания сложной регуляции клеточного цикла, которая обеспечивает правильный рост, восстановление и генетическую стабильность в многоклеточных организмах. Скоординированное прохождение фаз, таких как G1, S, G2, митоз и цитокинез, регулируется рядом контрольных точек, циклинов и CDK. Нарушения на любой стадии, особенно в регуляторных механизмах, могут привести к серьезным последствиям, включая развитие таких заболеваний, как рак.

Способность клетки реагировать на внешние сигналы и восстанавливать внутренние повреждения необходима для поддержа