Cells divide by binary fission and mitosis

细胞通过二分裂和有丝分裂进行增殖：学习笔记（生物 9610）

你好！本章对于理解生命如何运作至关重要，特别是生物体如何生长、如何修复损伤，以及癌症等疾病是如何发生的。细胞分裂是生命的核心机制。

我们将探讨细胞分裂的两种主要方式：细菌使用的简单过程（二分裂），以及我们人体细胞所使用的复杂且受到严格调控的过程（有丝分裂）。理解这些过程是掌握“生物系统与疾病”这一部分中关于生长与疾病概念的关键。

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1. 真核细胞周期 (3.2.10.1)

细胞周期是指真核细胞从一次分裂完成到下一次分裂所经历的高度受控的事件序列。这就像细胞的生命时间轴，分为两个主要阶段：分裂间期（准备阶段）和分裂期（分裂阶段）。

分裂间期：准备阶段

分裂间期是细胞周期中最长的部分，细胞在此期间为分裂做准备。你可以把它想象成细胞在远行前完成所有杂务并加倍准备物资的过程。

分裂间期分为三个不同的亚期：

1. G₁期（第一间隙期）：
   • 细胞体积显著增大。
   • 蛋白质和酶的产量增加。
   • 细胞器数量（如线粒体和核糖体）增加。
   • 记忆小贴士：G₁代表生长（Growth）或间隙1（Gap 1）。
2. S期（合成期）：
   • 这是至关重要的阶段，进行DNA复制。
   • 每一条染色体都被复制，形成两条完全相同的副本（姐妹染色单体），它们在着丝粒处连接。
   • 如果DNA复制失败，细胞将无法正常分裂。
3. G₂期（第二间隙期）：
   • 细胞继续快速生长并合成蛋白质。
   • 检查在S期复制的DNA是否存在错误或损伤。
   • 确保有丝分裂所需的所有组件（如纺锤体蛋白）已准备就绪。

2. 有丝分裂：用于生长与修复的细胞分裂 (3.2.10.2)

有丝分裂是一个真核细胞分裂产生两个基因完全相同的子细胞的过程。它用于：

• 生长（例如，身高增加）。
• 修复（例如，愈合伤口）。
• 无性繁殖（在某些生物体中）。

有丝分裂的四个阶段 (PMAT)

如果这些阶段起初看起来很混乱，请不要担心！只需关注染色体在每一步的操作即可。一个极好的助记词是 PMAT。

预备概念：染色体

有丝分裂开始前（在分裂间期），DNA以松散组织的染色质形式存在。一旦在S期完成复制，DNA就会凝缩成可见的X形结构，称为染色体。每条X形染色体由两条相同的链组成，称为姐妹染色单体，并在着丝粒处相连。

1. P - 前期 (Prophase)
• 染色质凝缩并紧密盘绕，变成可见的独立染色体。
• 核膜解体。
• 中心体移向细胞两极，纺锤丝（由微管组成）开始形成。
2. M - 中期 (Metaphase)
• 染色体排列在细胞中心——这条中心线称为中期板（或赤道面）。
• 每条染色体通过其着丝粒连接到纺锤丝上。纺锤丝确保它们为下一步完美对齐。
3. A - 后期 (Anaphase)
• 这是戏剧性的分离阶段！
• 着丝粒分裂，使姐妹染色单体分离。
• 纺锤丝将这些现在分离的染色单体（此时被视为独立的染色体）拉向细胞的两极。
• 关键点：后期确保每个新细胞都能获得一套相同的遗传信息。
4. T - 末期 (Telophase)
• 染色体到达两极并解凝缩，变回染色质状态。
• 新的核膜在两组染色体周围形成。
• 纺锤丝消失。

胞质分裂 (Cytokinesis)

在末期之后，细胞的细胞质通过胞质分裂过程进行分割。这导致细胞最终分裂成两个完全相同的子细胞。

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3. 二分裂：原核细胞分裂 (3.2.10.3)

二分裂是原核细胞（如细菌）使用的无性繁殖方式。它比有丝分裂简单得多也快得多，因为原核生物缺乏细胞核和膜结合细胞器。

二分裂的步骤

原核细胞分裂过程如下：

1. 遗传物质的复制：
   • 单个大型环状DNA分子进行复制。
   • 任何较小的染色体外DNA分子（质粒）也会进行复制。
2. 细胞伸长与分离：
   • 细胞生长并伸长。
   • 两份环状DNA拷贝分别移向细胞的两极。
3. 细胞质分裂：
   • 细胞膜向内凹陷，并在两个DNA分子之间形成新的细胞壁。
   • 从而产生两个子细胞。

每个子细胞都会获得一份环状DNA的拷贝。但是，每个子细胞继承的质粒数量可能会有所不同。

水平基因传递（接合）

有时，细菌不仅进行垂直传递DNA（从亲代到子代），还可以水平转移遗传物质：

• 接合 (Conjugation) 是指DNA（通常是质粒DNA）从一种细菌转移到另一种细菌的过程，通常通过一种称为菌毛（pilus）的连接管进行。
• 这对于细菌种群中基因的快速传播非常重要，例如抗生素抗性基因。

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4. 有丝分裂、突变与癌症 (3.2.11.2)

有丝分裂通常是一个受到高度调控的过程。当这种调控因突变而崩溃时，可能导致不受控制的细胞分裂，从而引发癌症。

细胞周期的控制机制

细胞周期由特定基因控制，这些基因充当“检查点”，确保DNA完整性和细胞正常分裂：

1. 原癌基因（油门）：
   • 这些基因通常负责刺激细胞分裂，促进细胞生长和增殖。
2. 抑癌基因（刹车）：
   • 这些基因通常负责减缓细胞分裂、修复受损的DNA，或者在损伤过于严重时诱导细胞程序性死亡（凋亡）。

癌症是如何发展的

癌症通常是由这些调节基因积累突变导致的，从而导致细胞分裂失去控制。

1. 突变的原癌基因（癌基因）：

• 突变使原癌基因转化为一种过度活跃的基因，称为癌基因 (Oncogene)。
• 癌基因就像永久性地“踩下油门”，导致细胞分裂过快，即使在不该分裂时也是如此。

2. 突变的抑癌基因：

• 突变使抑癌基因失活。
• 细胞失去了“刹车”以及检查或修复DNA损伤的能力，导致细胞分裂速率失控增加。

肿瘤：良性与恶性

不受控制的细胞分裂导致细胞团块，称为肿瘤：

• 良性肿瘤：这些肿瘤保持紧凑，通常是无害的。它们留在原处，不会侵袭周围组织或扩散到身体其他部位。
• 恶性肿瘤（癌症）：这些肿瘤具有侵袭性。它们生长迅速，侵袭周围组织，并可能通过血液或淋巴系统扩散到身体其他部位（这一过程称为转移）。