细胞生物学/细胞分裂/细胞周期
正常的细胞周期包含两个主要阶段。第一个是间期，在此期间细胞存活并生长变大。第二个是有丝分裂期。间期由三个亚期组成。G1期（第一间隙期）、S期（合成期）和G2期（第二间隙期）。间期是细胞生长的阶段。细胞执行正常的细胞功能，例如制造蛋白质和细胞器。有丝分裂期包含有丝分裂和胞质分裂。 有丝分裂是指细胞分裂的过程。有丝分裂可以进一步细分为多个阶段。胞质分裂是指两个子细胞完成分离的过程。有丝分裂是细胞核的分裂，而胞质分裂是细胞质的分裂。这两个亚期之间存在一些重叠。生殖细胞分裂称为减数分裂，它会产生具有非相同染色体组的子细胞，这些子细胞只有一套染色体。换句话说，它们拥有的染色体数量只有亲代细胞的一半。减数分裂发生在性腺中，即卵巢或睾丸。因此，两个配子结合在一起会产生 46 条染色体。
细胞周期是指生物细胞从其首次形成于分裂的亲代细胞开始，到其自身分裂成两个细胞为止的循环过程，包括重复的有丝分裂和间期（生长期）。细胞在其生命周期的大部分时间里都处于间期（约 90% 的时间）。
脱氧核糖核酸 (DNA) 由四种核酸组成，即 A、T、C 和 G。在细胞中，DNA 提供了制造所有维持细胞生存能力、健康、生长、功能和复制所需的蛋白质的指令。编码每种蛋白质的独特 DNA 序列被称为基因，而生物体或细胞的完整基因集被称为基因组。原核生物基因组通常是一个长的 DNA 分子，而真核生物基因组则包含多个 DNA 分子。典型的**人类细胞**含有约 2 米的 DNA，这比细胞直径大 250,000 倍。在细胞分裂之前，DNA 会先复制，然后分离，这样每个子细胞最终都会获得完整的基因组。染色体是打包的 DNA 分子。由于染色体的存在，复制和分配如此多的 DNA 才变得可控。每个真核物种的每个细胞核中都有特征性的染色体数量。它们包含每条染色体的两套：一套从父母一方遗传而来。例如，人类体细胞（除生殖细胞之外的所有身体细胞）每个都包含 46 条染色体；生殖细胞（配子）的染色体数量是体细胞的一半。体细胞中染色体的数量在不同物种之间差异很大。真核染色体由染色质组成，染色质是 DNA 和相关蛋白质分子的复合物。每条染色体包含一个非常长的线性 DNA 分子，该分子携带数百到几千个基因；相关的蛋白质维持染色体的结构并帮助控制基因活性。当细胞不分裂时，每条染色体都是一条细长的染色质纤维；然而，在 DNA 复制后，染色体浓缩。每条染色质纤维都会盘绕和折叠。每条复制的染色体都有两条姐妹染色单体，包含相同的 DNA 分子，最初通过粘附蛋白复合物连接在一起；这种连接被称为姐妹染色单体凝聚。在染色体的浓缩形式中，中心狭窄的部分称为着丝粒，这是一个特殊的区域，两个染色单体在那里紧密连接在一起。着丝粒两侧的染色单体其他部分被称为臂。一旦姐妹染色单体分离，它们就被视为独立的染色体。
有丝分裂期包括有丝分裂和胞质分裂，通常是细胞周期中最短的部分。间期约占细胞周期的 90%；在间期，细胞生长并复制其染色体，为细胞分裂做准备。间期分为三个亚期：G1期（“第一间隙期”）、S期（“合成期”）和G2期（“第二间隙期”）。染色体仅在 S 期复制。在 G1 期，细胞生长，直到 S 期，细胞为 G2 期的细胞分裂做准备。根据人类细胞，M 期大约只需要 1 个小时，而 S 期大约需要 10-12 个小时。
细胞周期包含以下阶段：
- G1 期，第一个生长阶段
- S 期，在此期间 DNA 被复制，其中 S 代表 DNA 的合成。
- G2 期是第二个生长阶段，也是为下一阶段做准备的阶段
- M 期或 有丝分裂 和 胞质分裂，细胞实际 分裂 成两个子细胞的阶段
细胞周期会在几个检查点停止，只有在满足特定条件的情况下才能继续，例如，如果细胞已达到一定直径。有些细胞，如神经元，一旦进入G0 期，便永远不会分裂。
有丝分裂有五个阶段：前期、前中期、中期、后期和末期。有丝分裂纺锤体在前期开始在细胞质中形成。它由微管和其他相关蛋白质组成。当有丝分裂纺锤体组装时，细胞骨架的微管会解体，为构建纺锤体提供材料。在动物细胞中，纺锤体微管的组装始于中心体，即微管组织中心。在植物细胞中，不存在中心粒。
在动物细胞的间期，单个中心体复制；两个中心体保持靠近细胞核在一起，并在有丝分裂的前期和前中期，随着纺锤体微管的生长，它们会彼此分离。两个中心体位于细胞的相对两端。然后，星体，即从每个中心体延伸出来的短微管的放射状排列，从每个中心体延伸出来。着丝粒是与染色体 DNA 特定部位（在着丝粒处）相关的蛋白质结构。复制染色体的两个姐妹染色单体中的每一个都包含着丝粒，因为它朝向相反的方向。在前期，当一些纺锤体微管附着到着丝粒上时，着丝粒微管就会形成。在微管附着到染色体着丝粒上之后，染色体开始朝着那些微管延伸的极移动。染色体像一场拔河比赛一样移动。中期板是指在中期形成的假想平面，所有复制染色体的着丝粒都位于纺锤体两个极点之间的中间平面。没有附着到着丝粒上的其他微管会重叠并与来自纺锤体另一极点的其他非着丝粒微管相互作用。非着丝粒微管负责在后期拉长整个细胞。在后期，连接着每条染色体姐妹染色单体的凝聚素会被酶裂解。然后，染色单体分离，并向细胞的相对两端移动。重叠区域缩小，因为附着在微管上的运动蛋白使用 ATP 彼此远离。当微管彼此推开时，它们的纺锤体极也会被推开，拉长细胞。当复制的染色体组到达拉长的亲代细胞的相对两端时，末期就会开始；在末期，细胞核重新形成，胞质分裂开始。
- 间期的 G2 期：在 G2 期，核膜包围着细胞核，两个中心体通过单个中心体的复制而形成。在动物细胞中，每个中心体包含两个中心粒。染色体在 S 期复制，但由于尚未浓缩，因此不可见。
- 前期：染色质纤维盘绕并浓缩成染色体，核仁消失。每条复制的染色体都有两条相同的姐妹染色单体，在着丝粒处以及通过凝聚素连接着它们的臂连接在一起，然后形成有丝分裂纺锤体。星体是从中心体延伸出来的较短微管的放射状排列。在延伸的微管的推动下，中心体彼此分离。
- 前中期：随着核膜断裂，从每个中心体延伸的微管侵入核区。染色体变得更加浓缩，因为每条染色体的两个染色单体都有一个着丝粒。一些微管附着到着丝粒上（“着丝粒微管”），而其他非着丝粒微管从纺锤体的另一极点相互作用。
- 中期: 中期是细胞有丝分裂中最长的阶段。中心体位于细胞的两极。染色体的着丝粒位于中期板，染色体聚集在中期板。每对姐妹染色单体的着丝粒都与来自两极的着丝粒微管相连。
- 后期: 后期是细胞有丝分裂中最短的阶段，它始于连接蛋白的断裂，使每对姐妹染色单体突然分离。两个游离的子染色体沿着丝粒微管缩短移动，移向细胞的两极。细胞开始伸长，非着丝粒微管变长。到后期结束时，细胞的两极都有等量的染色体集合。
- 末期: 细胞中形成两个子核，核膜从亲代细胞核膜的碎片中出现。随着核仁的重新出现，染色体变得不太凝缩，完成了一个核分裂成两个遗传上相同的核。
- 胞质分裂: 在动物细胞中，胞质分裂涉及形成分裂沟；在植物细胞中不存在分裂沟。细胞壁在细胞中间（细胞板）的形成将细胞分裂成两个子细胞。
胞质分裂过程始于细胞分裂。分裂沟是细胞表面靠近旧中期板的浅沟，是细胞分裂的第一个迹象。随着它的进程，肌动蛋白微丝的收缩环在细胞质侧形成。肌动蛋白微丝与肌球蛋白分子相互作用，导致环收缩。随着分裂沟的加深，细胞被分成两个具有自己细胞核的细胞。对于植物细胞，由于它们有细胞壁，所以不存在分裂沟。它们不是形成分裂沟，而是来自高尔基体的囊泡沿着微管移动到细胞的中间，形成细胞板。随着细胞板的扩大，周围的膜与细胞周边的质膜融合，形成两个子细胞。
二分裂是一种“对半分裂”的无性生殖方式。在原核生物中，二分裂不涉及有丝分裂，但在进行二分裂的单细胞真核生物中除外。在细菌中，大多数基因位于单个细菌染色体上，该染色体由环状 DNA 分子和相关蛋白质组成。大肠杆菌的染色体，当拉伸时，是细胞长度的 500 倍。在复制起点，细菌染色体的 DNA 开始复制。随着染色体的继续复制，一个起点迅速移动到细胞的另一端，细胞伸长。当复制完成后，细菌大小约为其初始大小的两倍，其质膜向内生长，将亲代大肠杆菌细胞分成两个子细胞。细菌没有有丝分裂纺锤体；两个复制起点最终位于细胞的两端或其他一些非常特定的位置。
由于原核生物在地球上的时间比真核生物早了十亿年以上，因此可以假设有丝分裂起源于更简单的原核生物细胞繁殖机制。一些参与细菌二分裂的蛋白质与真核生物中参与有丝分裂的功能相关的蛋白质有关。关于有丝分裂进化的一个可能的假设是，原核生物细胞的繁殖导致了有丝分裂。
基于哺乳动物细胞生长实验，支持一个可能的假设：细胞周期是由细胞质中存在的特定信号分子驱动的。在这个实验中，两个处于不同细胞周期阶段的细胞融合成一个具有两个核的细胞。一个细胞处于 S 期，另一个细胞处于 G1 期，G1 核立即进入 S 期，就好像被第一个细胞细胞质中存在的化学物质刺激一样。因此，如果一个正在进行有丝分裂 (M 期) 的细胞与另一个处于其细胞周期的任何阶段的细胞融合，则第二个细胞核进入有丝分裂。其他关于动物细胞和酵母的实验证明了细胞周期控制系统的顺序事件；细胞周期控制系统运行着一组细胞中的分子，这些分子既触发也协调细胞周期中的关键事件。细胞周期控制系统自行运行，但它在某些检查点受到内部和外部信号的调节。动物细胞具有内置的停止信号，这些信号会暂停检查点的细胞周期，直到它们收到继续信号。这些信号报告在该点之前应该发生的至关重要的细胞过程是否已正确完成，以及细胞周期是否应该继续。三个检查点位于 G1、G2 和 M 期。对于哺乳动物细胞，G1 检查点是最重要的。当一个细胞在 G1 检查点接收到继续信号时，该细胞将完成 G1、S、G2 和 M 期，并分裂；然而，当一个细胞没有接收到继续信号时，它将退出细胞周期并进入非分裂状态，即 G0 期。大多数人类细胞处于 G0 期，例如成熟的神经细胞和肌肉细胞。然而，肝细胞可以重新进入细胞周期，例如在受伤时释放的生长因子。细胞周期控制分子丰度和活性的节律性波动控制着细胞周期的顺序事件。调节分子是两种类型的蛋白质：蛋白激酶和细胞周期蛋白。蛋白激酶是通过磷酸化激活或灭活其他蛋白质的酶。蛋白激酶在 G1 和 G2 检查点发出继续信号。驱动细胞周期的激酶在生长细胞中以恒定浓度存在，但它们处于非活性状态。为了激活它们，激酶必须与细胞周期蛋白结合，细胞周期蛋白是一种在细胞中循环波动的蛋白质。由于这种要求，它们被称为细胞周期蛋白依赖性激酶或 CDK。CDK 的活性随着其细胞周期蛋白伴侣浓度的变化而上升和下降。细胞周期蛋白水平在 S 期和 G2 期上升，然后在 M 期迅速下降。MPF（成熟促进因子）或 M 期促进因子活性与细胞周期蛋白浓度峰值相对应。MPF 触发细胞通过 G2 检查点进入 M 期。MPF 既直接作为激酶，又通过激活其他激酶间接起作用。在后期，MPF 通过启动导致自身细胞周期蛋白破坏的过程来帮助自身关闭。CDK，MPF 的非细胞周期蛋白部分，以非活性形式持续存在于细胞中，直到它与下一轮周期的 S 期和 G2 期合成的新的细胞周期蛋白分子结合。密度依赖性抑制是一种现象，即拥挤的细胞停止分裂。它是由外部物理因素引起的。此外，大多数动物细胞表现出锚定依赖性；为了分裂，细胞必须附着在基质上；就像细胞密度一样，锚定通过涉及质膜蛋白和连接到它们的细胞骨架元素的途径向细胞周期控制系统发出信号。细胞周期控制的丧失会导致癌细胞，癌细胞既不表现出密度依赖性抑制，也不表现出锚定依赖性。
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