Podziały komórkowe

Cykl komórkowy


Każda komórka powstaje z już istniejącej komórki. Nowe komórki powstają więc z podziału innych, tzw. komórek macierzystych. Po powstaniu komórki rosną, zwiększając swoją objętość, a po osiągnięciu pewnych rozmiarów... dzielą się, znowu stając się komórkami macierzystymi. W świecie komórkowym jest możliwy jeszcze inny scenariusz. Osiągając pewne rozmiary komórka przestaje rosnąć, przechodzi modyfikacje umożliwiające spełnianie określonych funkcji, czyli różnicuje się. Zdolność do podziałów może utracić bezpowrotnie (np. komórki mięśni szkieletowych czy erytrocyty) lub w miarę potrzeb odzyskiwać ją (np. komórki nabłonków).

Cykl życiowy komórki, od podziału do podziału, nazywamy cyklem komórkowym. Trwa on, w zależności od typu komórki, od kilku do około 20 godzin. Oczywiście od tej zasady są odstępstwa. Zygoty zwierząt posiadają zdolność szybkich podziałów, mniej więcej co godzinę. Na cykl komórkowy składają się: podział komórki (kariokineza i cytokineza) oraz okres międzypodziałowy - interfaza (faza G1, S i G2).



Przebieg i znaczenie biologiczne mitozy


Mitoza jest podziałem charakterystycznym dla komórek somatycznych, tzn. komórek budujących ciało danego organizmu. Polega na podziale komórki macierzystej na dwie komórki potomne o identycznej (pod względem jakości i ilości) informacji genetycznej względem komórki macierzystej.

Znaczenie biologiczne mitozy


Podział komórkowy, w którym powstają komórki identyczne pod względem informacji genetycznej może być wykorzystany:

  • w procesie rozmnażania bezpłciowego wegetatywnego, np. podział komórki pierwotniaków
  • w fazie wzrostu organizmu, kiedy to w szybkim tempie przybywa nowych komórek
  • w procesie regeneracji, gdy organizm uzupełnia ubytki po zniszczonych komórkach komórkami nowymi


"Scenariusz" mitozy

  • kariokineza (podział jądra komórkowego) - podzielona (umownie!) na cztery fazy:

    - profazę
    - metafazę
    - anafazę
    - telofazę

  • cytokineza (podział cytoplazmy).

Przebieg mitozy
kariokineza:
profaza:
  • stają się widoczne chromosomy, które powstały z silnie skręconej chromatyny
  • chromosomy składają się z dwóch połówek - chromatyd
  • zanika jąderko
  • na terenie cytoplazmy organizuje się wrzeciono podziałowe (w komórkach zwierzęcych uczestniczą w tym centriole)
  • zanika błona jądrowa
metafaza:
  • uwolnione z jądra komórkowego chromosomy przemieszczają się w rejon równika wrzeciona podziałowego
  • centromery leżą w płaszczyźnie równika, a w tym miejscu do chromosomów przyczepione są włókna wrzeciona
  • centromery pękają
anafaza:
  • włókna wrzeciona kurczą się
  • chromatydy, czyli od tego momentu chromosomy potomne, wędrują ku biegunom wrzeciona
telofaza:
  • chromosomy potomne rozkręcają się tworząc znów chromatynę
  • odtwarzają się jąderka
  • wokół każdego ze skupień chromatyny odtwarza się błona jądrowa
cytokineza:
podział cytoplazmy, który prowadzi do powstania dwóch komórek potomnych, zaczyna się już pod koniec telofazy; przebiega odmiennie w komórkach roślinnych i zwierzęcych


Spróbuj wyobrazić sobie magazyn, który ma za zadanie zaopatrzyć dwa sklepy w różnych częściach miasta. Właśnie przyszłą nowa dostawa towaru (to replikacja - towar to oczywiście DNA). Towar jest pakowany (profaza - tworzą się chromosomy), porządkowany - gdzie dana partia powędruje (metafaza - chromosomy porządkowane są na równiku wrzeciona podziałowego), transportowany w dwie różne strony miasta (anafaza - transport chromosomów potomnych ku biegunom wrzeciona) i rozpakowywany w każdym z obu sklepów (telofaza - despiralizacja chromosomów w jądrach komórek potomnych).
No cóż, dodajmy, że w świecie komórkowym po tej operacji "magazyn" przestaje istnieć.


Mejoza jako redukcyjny podział jądra komórkowego


Mejoza jest podziałem prowadzącym do redukcji materiału genetycznego w jądrach komórkowych czterech komórek potomnych. Podział ten poprzedza powstawanie gamet (u zwierząt) lub powstawanie zarodników (u roślin, większości glonów i grzybów). W trakcie mejozy diploidalne - 2n - komórki macierzyste ulegają podziałowi na haploidalne - 1n -  komórki potomne, gdzie n oznacza liczbę chromosomów.

2n -> 1n
komórki macierzyste gamet (komórki pregeneratywne) -> gamety (komórki generatywne)
komórki macierzyste zarodników (komórki archeosporialne) -> zarodniki (spory)


Znaczenie mejozy

Mejoza zapewnia stałą liczbę chromosomów w kolejnych pokoleniach organizmów, które rozmnażają się płciowo. Choć jej miejsce w cyklach życiowych różnych grup organizmów jest odmienne, zapobiega podwajaniu informacji genetycznej w czasie łączenia komórek biorących udział w procesie płciowym.
Gdyby nie następował ten typ podziału przed powstaniem gamet, kolejne pokolenia miałyby zawsze dwa razy więcej chromosomów niż pokolenie rodzicielskie. Człowiek jest organizmem diploidalnym, tzn., że każda komórka somatyczna zawiera po dwa chromosomy danego typu, tzw. chromosomy homologiczne. Takich chromosomów mamy  w naszych komórkach 23 pary, czyli w każdej komórce somatycznej są 64 chromosomy.

Wyobraź sobie teraz, że przy powstawaniu gamet nie zaszła mejoza. W czasie zapłodnienia łączyłyby się komórki zawierające po 23 pary chromosomów - powstałaby zygota mająca 64 pary chromosomów, a z niej organizm, który w każdej komórce miałyby właśnie 64 pary chromosomów. Wnastępnym pokoleniu znów nastąpiłoby podwojenie informacji genetycznej - nowopowstały organizm miałby już 128 par chromosomów, następny - 256 itd. Dlatego powstawanie gamet poprzedza redukcja informacji genetycznej i nasze gamety zawierają tylko po jednym chromosomie zdanej pary, czyli 23 chromosomy, a nie jak w komórkach somatycznych 64.

Mejoza prowadzi do zrekombinowania (przemieszania informacji genetycznej) dzięki procesowi crossing - over i losowemu rozejściu się chromosomów w czasie podziału.

"Scenariusz" mejozy


Mejoza składa się z dwóch podziałów.

I podział - redukcyjny (= mejoza I, = podział heterotypowy)

  • kariokineza (poprzedzona replikacją podczas interfazy w fazie S):

    - profaza I
    - metafaza I
    - anafaza I
    - telofaza I

  • cytokineza - nie zawsze zachodzi pomiędzy podziałami

II podział - typu mitotycznego (= mejoza II, = podział homotypowy)

  • kariokineza (nie poprzedza jej replikacja informacji genetycznej):

    - profaza II
    - metafaza II
    - anafaza II
    - telofaza II

  • cytokineza - prowadzi do powstania czterech odrębnych komórek.

Przebieg mejozy
I podział
kariokineza:





profaza I (jest bardzo długa i dzieli się na pięć stadiów):

  • chromosomy spiralizują z chromatyny, mają postać długich cienkich nici
  • chromosomy homologiczne (zawierające informację na ten sam temat, ale niekoniecznie tę samą) łączą się w pary, jest to koniugacja chromosomów; tworzy się biwalent, czyli zespół dwóch chromosomów homologicznych
  • chromosomy dalej spiralizują, są teraz grube i wyraźnie widać w każdym z nich chromatydy,

      - tworzy się tetrada, czyli zespół czterech chromatyd, czyli dwa podwojone chromosomy
      - chromatydy zaplatają się
      - w miejscu "styku" chromatydy mogą pękać i następuje wtedy wymiana homologicznych odcinków DNA - proces

    crossing - over

      który jest absolutnie losowym zdarzeniem, nie zachodzi we wszystkich chromosomach i nigdy nie wiadomo, w którym miejscu chromosomu nastąpi
  • zmienione chromosomy rozsuwają się
  • następuje krótkotrwały spoczynek jądra

w trakcie profazy I:

  • na terenie cytoplazmy tworzy się wrzeciono podziałowe
  • zanika jąderko
  • zanika błona jądrowa
metafaza I:
  • pary chromosomów homologicznych (tetrady) układają się na równiku wrzeciona podziałowego
  • ponieważ włókna wrzeciona podziałowego przyczepione są tylko do jednej z chromatyd w każdym chromosomie, centromery nie pękną podczas kurczenia się włókien wrzeciona
anafaza I:
  • ku biegunom wrzeciona wędrują całe chromosomy (zbudowane z dwóch chromatyd) - po jednym z pary homologicznej
telofaza I:
  • odtwarzają się dwa jądra potomne: powstają jąderka i błona jądrowa, natomiast chromosomy nie rozkręcają się
  • nowopowstałe jądra komórkowe zawierają połowę chromosomów, ale są one podwojone - składają się z dwóch chromatyd każdy
cytokineza: podział cytoplazmy jest możliwy, nastąpiłby wtedy podział na dwie komórki, ale nie zawsze zachodzi
II podział
kariokineza
(zachodzi
równolegle
w dwóch
komórkach):
profaza II:
  • chromosomy grubieją
  • zanika błona jądrowa i jąderko
  • na terenie cytoplazmy tworzy się wrzeciono podziałowe
metafaza II:
  • na równiku wrzeciona układają się chromosomy
  • włókna wrzeciona przyczepiają się do centromerów każdej chromatydy w chromosomie
  • centromery pękają na skutek kurczenia się włókien wrzeciona
anafaza II:
  • chromatydy, czyli chromosomy potomne wędrują ku biegunom wrzeciona
telofaza II:
  • odtwarzane są cztery jądra potomne: chromosomy rozkręcają się do postaci chromatyny, pojawiają się jąderka i błony jądrowe
  • nowe jądra komórkowe zawierają teraz połowę pojedynczych chromosomów
cytokineza: podział cytoplazmy zajdzie teraz na pewno


Porównanie mitozy i mejozy



mitoza mejoza
zachodzi w komórkach somatycznych zachodzi w komórkach macierzystych gamet lub zarodników
powstają dwie komórki powstają cztery komórki
komórki potomne nie różnią się informacją genetyczną od siebie i od komórki macierzystej komórki potomne mają o połowę mniej informacji genetycznej, może ona być różna pod względem jakości (crossing - over)
zachodzi podczas rozmnażania bezpłciowego, wzrostu i regeneracji organizmu zachodzi podczas rozmnażania płciowego - powstają gamety lub bezpłciowego - powstają zarodniki
jeden podział dwa podziały
każdy podział przebiega według tego samego "scenariusza" - kariokineza dzieli się na cztery fazy, potem zwykle następuje cytokineza


różnice w przebiegu poszczególnych faz:
mitoza mejoza I mejoza II
profaza
krótka długa, następuje koniugacja chromosomów homologicznych, rekombinacja materiału genetycznego krótka, chromosomy są wyodrębnione po telofazie I
metafaza
na równiku wrzeciona układają się chromosomy złożone z dwóch chromatyd, włókna wrzeciona przyczepiają się do każdej z chromatyd w centromerze; na równiku wrzeciona układają się pary chromosomów, każdy utworzony z dwóch chromatyd, włókna wrzeciona przyczepiają się do jednej z chromatyd w każdym chromosomie; na równiku wrzeciona układają się chromosomy złożone z dwóch chromatyd, włókna wrzeciona przyczepiają się do każdej z chromatyd w centromerze;
centromery pękają centromery nie pękają centromery pękają
anafaza
do biegunów wrzeciona rozchodzą się chromatydy, czyli chromosomy potomne do biegunów wrzeciona rozchodzą się całe, podwójne chromosomy, po jednym z pary homologicznej do biegunów wrzeciona rozchodzą się chromatydy, czyli chromosomy potomne
telofaza
powstają dwa jądra potomne o niezmienionej informacji genetycznej, każda komórka ma taką samą liczbę pojedynczych chromosomów jak komórka macierzysta przed replikacją powstają dwa jądra potomne o zmniejszonej o połowę liczbie chromosomów, ale chromosomy są podwójne - składają się z dwóch chromatyd każdy powstają cztery jądra potomne o zmniejszonej o połowę liczbie chromosomów, ale chromosomy są pojedyncze, czyli komórki potomne mają połowę pojedynczych chromosomów w stosunku do komórki macierzystej przed replikacją