Ο κυτταρικός κύκλος είναι μια διαδικασία κατά την οποία ένα κύτταρο αναπτύσσεται και διαιρείται για να δημιουργήσει ένα αντίγραφο του εαυτού του. Μερικοί οργανισμοί αναπαράγονται αποκλειστικά μέσω αυτής της διαδικασίας, ενώ σε πολύπλοκη πολυκύτταρη ζωή, επιτρέπει σε έναν οργανισμό να αναπτυχθεί και να αντικαταστήσει τα κύτταρα καθώς αυτά φθείρονται. Στα ζώα, ο κύκλος διαρκεί περίπου 24 ώρες από την αρχή μέχρι το τέλος για τους περισσότερους τύπους κυττάρων, αν και ορισμένοι, όπως αυτοί στο δέρμα, διανύουν συνεχώς αυτόν τον κύκλο, ενώ άλλοι μπορεί να διαιρούνται σπάνια, έως καθόλου. Οι νευρώνες, για παράδειγμα, δεν αναπτύσσονται και διαιρούνται μόλις ωριμάσουν.
Οι οργανισμοί μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους, ο καθένας με τον δικό του κυτταρικό κύκλο. Στους προκαρυώτες, η γενετική πληροφορία του οργανισμού αποτελείται από έναν μόνο κλώνο DNA, γνωστό ως χρωμόσωμα, το οποίο δεν περιέχεται σε καμία ειδική δομή. Τα βακτήρια είναι παραδείγματα προκαρυωτικών, μαζί με κάποιους άλλους μονοκύτταρους οργανισμούς. Οι ευκαρυώτες αποτελούνται από όλους τους πολυκύτταρους οργανισμούς, όπως φυτά και ζώα, μαζί με ορισμένους τύπους μονοκύτταρων μορφών ζωής. Διαφέρουν από τα προκαρυωτικά κυρίως στο ότι έχουν έναν πυρήνα — μια αυτόνομη δομή που περιέχει το γενετικό υλικό με τη μορφή χρωμοσωμάτων που αποτελούνται από DNA.
Προκαρυώτες
Η αναπαραγωγή σε προκαρυώτες είναι γνωστή ως δυαδική σχάση. Σε αυτή τη διαδικασία, το DNA, το οποίο επιπλέει ελεύθερα μέσα στο κύτταρο, αντιγράφεται. Οι δύο νέοι κλώνοι DNA μεταναστεύουν στη συνέχεια σε αντίθετα άκρα του κυττάρου, το οποίο χωρίζεται σε δύο πανομοιότυπα αντίγραφα, το καθένα με το δικό του DNA. αυτό το στάδιο διαίρεσης είναι γνωστό ως κυτταροκίνηση. Στη συνέχεια, τα νέα κύτταρα θα αναπτυχθούν μέχρι να φτάσουν σε ένα ορισμένο μέγεθος, στη συνέχεια, εάν οι συνθήκες είναι ευνοϊκές, θα διαιρεθούν ξανά, ξεκινώντας έναν νέο κύκλο. Για αυτούς τους πρωτόγονους οργανισμούς, η διαδικασία είναι συνήθως πολύ γρήγορη — σε ιδανικές συνθήκες, ορισμένα βακτήρια θα διαιρούνται κάθε 20 λεπτά, οδηγώντας σε πολύ γρήγορο πολλαπλασιασμό.
Ευκαρυώτες
Τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι πιο πολύπλοκα από αυτά των προκαρυωτικών, καθιστώντας τη διαίρεση πιο περίπλοκη. Εκτός από έναν πυρήνα, έχουν μια σειρά από άλλες δομές, γνωστές ως οργανίδια, που έχουν συγκεκριμένες λειτουργίες και που πρέπει επίσης να αντιγραφούν κατά τη διαίρεση. Ο ευκαρυωτικός κύκλος έχει μια σειρά από διακριτές φάσεις, με τις δύο κύριες να είναι η μεσόφαση και η μίτωση.
Κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης – η οποία είναι μακράν η μεγαλύτερη φάση, που αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος του κύκλου των 24 ωρών που είναι χαρακτηριστικό για την πλειονότητα των ζωικών κυττάρων – το κύτταρο κανονικά αναπτύσσεται και αυξάνεται σε μέγεθος. Οι διαδικασίες που εμπλέκονται στη διαίρεση απαιτούν ενέργεια και η ενδιάμεση φάση έχει δύο περιόδους κατά τις οποίες δημιουργούνται αποθέματα της ένωσης τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) που αποθηκεύει ενέργεια και λαμβάνει χώρα ανάπτυξη, που χωρίζεται από μια περίοδο διπλασιασμού του DNA στον πυρήνα. Η πρώτη περίοδος ανάπτυξης είναι γνωστή ως Gap 1 (G1) και εμφανίζεται στα νέα κύτταρα μετά τη διαίρεση. Ακολουθεί το στάδιο της σύνθεσης (S), κατά τη διάρκεια της σύνθεσης νέων κλώνων DNA που είναι πανομοιότυπες με τις πρωτότυπες. Το στάδιο Gap 2 (G2) αρχίζει τότε, πριν από τη μίτωση.
Σε αντίθεση με την προηγούμενη φάση, η μίτωση είναι σχετικά σύντομη και συνήθως διαρκεί μόνο περίπου μία ώρα. Αυτή είναι η διαδικασία με την οποία τα δύο πανομοιότυπα σύνολα DNA διαχωρίζονται φυσικά το ένα από το άλλο, σχηματίζοντας δύο σετ χρωμοσωμάτων, τα οποία στη συνέχεια έλκονται σε διαφορετικά άκρα του κυττάρου για να σχηματίσουν ξεχωριστούς πυρήνες. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης τα οργανίδια, όπως τα μιτοχόνδρια στα ζώα και οι χλωροπλάστες στα φυτά, διαιρούνται επίσης. Αυτές οι δομές έχουν το δικό τους DNA, το οποίο αντιγράφεται με τον ίδιο τρόπο όπως στα προκαρυωτικά, οδηγώντας ορισμένους επιστήμονες να πιστέψουν ότι μπορεί κάποτε να ήταν ανεξάρτητοι προκαρυωτικοί οργανισμοί που είχαν ενσωματωθεί σε ευκαρυωτικά κύτταρα κάποια στιγμή στο μακρινό παρελθόν.
Το τελικό στάδιο είναι η κυτταροκίνηση. Αυτό είναι όταν λαμβάνει χώρα η διαίρεση σε δύο διακριτές μονάδες. Στα ζώα, τα αντίθετα κυτταρικά τοιχώματα έλκονται το ένα προς το άλλο στο μέσο περίπου μέχρι να συναντηθούν, σχηματίζοντας δύο μονάδες που χωρίζονται η μία από την άλλη. Στα φυτά, ένα νέο κυτταρικό τοίχωμα χτίζεται στο σημείο της διαίρεσης, που χωρίζει τα δύο νέα κύτταρα.
Κανονισμός και Λάθη
Κάθε μέρος του κύκλου ρυθμίζεται από πρωτεΐνες που λένε στο κύτταρο τι να κάνει. Αυτές οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται επίσης κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης για να επιβεβαιωθεί ότι οι συνθήκες είναι κατάλληλες για διαίρεση. Εάν δεν υπάρχουν αρκετά θρεπτικά συστατικά ή αν εντοπιστούν άλλα ζητήματα, αυτές οι πρωτεΐνες θα σηματοδοτήσουν το κύτταρο να παραμείνει αδρανές και να περιμένει να βελτιωθούν οι συνθήκες, μάλλον σαν μια διασταύρωση για διαίρεση.
Σφάλματα μπορεί και συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Μερικές φορές οι πληροφορίες δεν αντιγράφονται ακριβώς κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης και δημιουργούνται σφάλματα στο γονιδίωμα. Αυτά τα σφάλματα μπορεί να αποδειχθούν μοιραία για το κύτταρο ή μπορεί να είναι αβλαβή. Μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε καρκίνο, όπου ένα σφάλμα προκαλεί επαναλαμβανόμενη αναπαραγωγή και ανεξέλεγκτη διαίρεση, χωρίς ελέγχους, σχηματίζοντας όγκο.
Ευτυχώς, υπάρχουν πρωτεΐνες που μπορούν να σταματήσουν τη διαδικασία εάν υπάρχουν σφάλματα στην αντιγραφή του DNA. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η διαδικασία διαίρεσης θα ανασταλεί για να επιτραπεί η επισκευή του DNA, μετά την οποία μπορεί να συνεχιστεί ξανά. Σε άλλες, όπου το DNA έχει υποστεί σοβαρή βλάβη, αυτές οι πρωτεΐνες μπορεί να προκαλέσουν θάνατο του κυττάρου, προκειμένου να αποτραπεί η περαιτέρω αναπαραγωγή του ελαττωματικού DNA. Ο καρκίνος είναι συχνά το αποτέλεσμα αλλαγών στο DNA που εμποδίζουν την καλή λειτουργία αυτών των πρωτεϊνών, έτσι ώστε τα κύτταρα με κατεστραμμένο DNA να επιτρέπεται να αναπαράγονται.