PODZIAŁ KOMÓRKOWY: RODZAJE, PROCESY I ZNACZENIE - BIOLOGIA - 2026

Podział komórek to proces, który pozwala wszystkim żywym organizmom rosnąć i rozmnażać się. U prokariontów i eukariontów wynikiem podziału komórki są komórki potomne, które posiadają taką samą informację genetyczną jak komórka pierwotna. Dzieje się tak, ponieważ przed podziałem informacje zawarte w DNA są powielane.

U prokariontów podział następuje przez rozszczepienie binarne. Genom większości prokariotów to kolista cząsteczka DNA. Chociaż organizmy te nie mają jądra komórkowego, DNA ma zwartą formę zwaną nukleoidem, która różni się od otaczającej go cytoplazmy.

Źródło: Retama

U eukariotów podział następuje poprzez mitozę i mejozę. Genom eukariotyczny składa się z dużej ilości DNA zorganizowanego w jądrze. Organizacja ta opiera się na pakowaniu DNA w białka, tworząc chromosomy zawierające setki lub tysiące genów.

Bardzo różnorodne eukarionty, zarówno jednokomórkowe, jak i metazoańskie, mają cykle życiowe, które zmieniają się między mitozą a mejozą. Są to cykle z: a) mejozą gametyczną (zwierzęta, niektóre grzyby i glony), b) mejozą zygotyczną (niektóre grzyby i pierwotniaki); oraz c) przemiana mejozy gametycznej i zygotycznej (rośliny).

Rodzaje

Podział komórki może odbywać się przez rozszczepienie binarne, mitozę lub mejozę. Poniżej opisano każdy z procesów związanych z tego typu podziałem komórek.

Binarne rozczepienie

Rozszczepienie prokariotyczne, binarne, jest formą rozmnażania bezpłciowego.

Rozszczepienie binarne polega na podziale komórki, w wyniku którego powstają dwie komórki potomne, każda z identyczną kopią DNA pierwotnej komórki.

Przed podziałem komórki prokariotycznej zachodzi replikacja DNA, która rozpoczyna się w określonym miejscu na dwuniciowym DNA, zwanym początkiem replikacji. Enzymy replikacyjne poruszają się w obu kierunkach od początku, tworząc jedną kopię każdej z nici dwuniciowego DNA.

Po replikacji DNA komórka wydłuża się, a DNA jest oddzielane w komórce. Natychmiast w środku komórki zaczyna rosnąć nowa błona plazmatyczna, tworząc przegrodę.

Proces ten jest ułatwiony dzięki białku FtsZ, które jest ewolucyjnie silnie konserwowane u prokariontów, w tym archeonów. Wreszcie komórka dzieli się.

Cykl komórkowy i mitoza

Etapy, przez które komórka eukariotyczna przechodzi między dwoma kolejnymi podziałami, są znane jako cykl komórkowy. Czas trwania cyklu komórkowego waha się od kilku minut do miesięcy, w zależności od rodzaju komórki.

Cykl komórkowy dzieli się na dwa etapy, a mianowicie fazę M i interfejs. W fazie M zachodzą dwa procesy zwane mitozą i cytokinezą. Mitoza składa się z podziału jądra. Ta sama liczba i typy chromosomów obecnych w pierwotnym jądrze znajdują się w jądrach potomnych. Komórki somatyczne organizmów wielokomórkowych dzielą się na drodze mitozy.

Cytokineza polega na podziale cytoplazmy na komórki potomne.

Interfejs ma trzy fazy: 1) G1, komórki rosną i spędzają większość czasu w tej fazie; 2) S, duplikacja genomu; i 3) G2, między innymi replikacja mitochondriów i innych organelli, kondensacja chromosomów i montaż mikrotubul.

Etapy mitozy

Mitoza zaczyna się wraz z końcem fazy G2 i dzieli się na pięć faz: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza i telofaza. Wszystko dzieje się w sposób ciągły.

Proroka

Proroka. Leomonaci98, źródło Wikimedia Commons

Na tym etapie głównym wydarzeniem jest montaż wrzeciona mitotycznego, czyli aparatu mitotycznego. Profaza zaczyna się od zagęszczenia chromatyny, tworząc chromosomy.

Każdy chromosom ma siostrzaną parę chromatydów z identycznym DNA, które są ściśle związane w sąsiedztwie ich centromerów. W tym związku uczestniczą kompleksy białkowe zwane kohezynami.

Każdy centromer jest połączony z kinetochorem, który jest kompleksem białek, które wiążą się z mikrotubulami. Te mikrotubule umożliwiają przeniesienie każdej kopii chromosomów do komórek potomnych. Mikrotubule promieniują z każdego końca komórki i tworzą aparat mitotyczny.

W komórkach zwierzęcych, przed profazą, następuje duplikacja centrosomu, który jest głównym ośrodkiem organizacyjnym mikrotubul i miejscem spotkania centrioli rodzicielskiej i dziecięcej. Każdy centrosom dociera do przeciwległego bieguna komórki, tworząc między nimi most mikrotubul zwany aparatem mitotycznym.

W niedawno wyewoluowanych roślinach, w przeciwieństwie do komórek zwierzęcych, nie ma centrosomów, a pochodzenie mikrotubul jest niejasne. W fotosyntetycznych komórkach starszego pochodzenia ewolucyjnego, takich jak algi zielone, znajdują się centrosomy.

Prometafaza

Leomonaci98

Mitoza musi zapewnić segregację chromosomów i rozmieszczenie otoczki jądrowej kompleksu porów jądrowych i jąderek. W zależności od tego, czy otoczka jądrowa (EN) zniknie, czy nie, oraz stopień zagęszczenia EN, mitoza waha się od zamkniętej do całkowicie otwartej.

Na przykład u S. cerevisae mitoza jest zamknięta, u A. nidulans jest półotwarta, a u ludzi otwarta.

W zamkniętej mitozie ciała polarne wrzeciona znajdują się w otoczce jądrowej, stanowiąc punkty zarodkowania mikrotubul jądrowych i cytoplazmatycznych. Mikrotubule cytoplazmatyczne oddziałują z korą komórkową i kinetochorami chromosomów.

W półotwartej mitozie, ponieważ EN jest częściowo rozłożona, przestrzeń jądrowa jest atakowana przez jądrzaste mikrotubule z centrosomów i przez dwa otwory w EN, tworząc wiązki otoczone przez EN.

W otwartej mitozie następuje całkowity demontaż EN, aparat mitotyczny jest zakończony, a chromosomy zaczynają się przemieszczać w kierunku środka komórki.

Metafaza

Chromosomy wyrównane w równikowej płytce komórki podczas metafazy mitotycznej

W metafazie chromosomy ustawiają się w linii na równiku komórki. Wyimaginowana płaszczyzna prostopadła do osi wrzeciona, przechodząca przez wewnętrzny obwód komórki, nazywana jest płytą metafazową.

W komórkach ssaków aparat mitotyczny jest zorganizowany w centralne wrzeciono mitotyczne i parę astry. Wrzeciono mitotyczne składa się z dwustronnej symetrycznej wiązki mikrotubul, które są podzielone na równiku komórki, tworząc dwie przeciwległe połowy. Astry składają się z grupy mikrotubul na każdym biegunie wrzeciona.

W aparacie mitotycznym istnieją trzy grupy mikrotubul: 1) astralne, które tworzą aster, rozpoczynają się od centrosomu i promieniują w kierunku kory komórkowej; 2) kinetochoru, które są przyłączone do chromosomów poprzez kinetochor; i 3) polarne, które krzyżują się z mikrotubulami z przeciwnego bieguna.

We wszystkich opisanych powyżej mikrotubulach końce (-) są skierowane w stronę centrosomu.

W komórkach roślinnych, jeśli nie ma centrosomu, wrzeciono jest podobne do wrzeciona komórek zwierzęcych. Wrzeciono składa się z dwóch połówek o przeciwnej biegunowości. Końce (+) znajdują się na płycie równikowej.

Anafaza

Źródło: Leomonaci98, źródło Wikimedia Commons

Anafaza dzieli się na wczesną i późną. We wczesnej anafazie następuje rozdzielenie chromatyd siostrzanych.

To rozdzielenie następuje, ponieważ białka, które utrzymują zrost, są rozszczepiane i ponieważ następuje skrócenie mikrotubul kinetochoru. Kiedy para chromatyd siostrzanych się rozdziela, nazywa się je chromosomami.

Podczas przesunięcia chromosomów w stronę biegunową, kinetochor porusza się wzdłuż mikrotubuli tego samego kinetochoru, w którym dysocjuje jego (+) koniec. Z tego powodu ruch chromosomów podczas mitozy jest procesem pasywnym, który nie wymaga białek motorycznych.

W późnej anafazie następuje większe rozdzielenie biegunów. Białko KRP, przyłączone do (+) końca polarnych mikrotubul, w obszarze ich nakładania się, przemieszcza się w kierunku (+) końca sąsiedniej antyrównoległej polarnej mikrotubuli. W ten sposób KRP popycha sąsiednią mikrotubulę polarną w kierunku końca (-).

W komórkach roślinnych, po rozdzieleniu chromosomów, w środku wrzeciona pozostaje przestrzeń z naprzemiennymi lub nałożonymi mikrotubulami. Taka struktura umożliwia zainicjowanie aparatu cytokinetycznego, zwanego fragmoplastem.

Telophase

Telophase. Leomonaci98

W telofazie dzieją się różne wydarzenia. Chromosomy docierają do biegunów. Kinetochor znika. Mikrotubule polarne nadal się wydłużają, przygotowując komórkę do cytokinezy. Otoczka jądrowa jest ponownie tworzona z fragmentów powłoki macierzystej. Jąderko pojawia się ponownie. Chromosomy są zdekondensowane.

Cytokineza

Cytokineza to faza cyklu komórkowego, podczas którego komórka się dzieli. W komórkach zwierzęcych cytozynaza zachodzi za pomocą zwężającego się paska włókien aktynowych. Włókna te ślizgają się obok siebie, średnica paska zmniejsza się, a wokół obwodu komórki tworzy się rowek rozszczepiający.

W miarę trwania zwężenia bruzda pogłębia się i tworzy się międzykomórkowy most, który obejmuje środkową część ciała. W centralnej części mostu międzykomórkowego znajdują się wiązki mikrotubul, które są pokryte matrycą elektrodową.

Rozpad mostka międzykomórkowego między postmitotycznymi komórkami siostrzanymi następuje poprzez odcięcie. Istnieją trzy rodzaje odcięcia: 1) mechanizm mechaniczny; 2) mechanizm wypełniania przez pęcherzyki wewnętrzne; 3) zwężenie błony komórkowej do rozszczepienia.

W komórkach roślinnych gromadzą się w nich składniki błony i powstaje płytka komórkowa. Ta płytka rośnie, aż dotrze do powierzchni błony plazmatycznej, łącząc się z nią i dzieląc komórkę na dwie części. Następnie celuloza osadza się na nowej błonie komórkowej i tworzy nową ścianę komórkową.

Mejoza

Mejoza to rodzaj podziału komórkowego, który zmniejsza liczbę chromosomów o połowę. W ten sposób diploidalna komórka dzieli się na cztery haploidalne komórki potomne. Mejoza występuje w komórkach rozrodczych i prowadzi do powstania gamety.

Etapy mejozy składają się z dwóch działów jądra i cytoplazmy, a mianowicie mejozy I i mejozy II. Podczas mejozy I, członkowie każdej pary homologicznych chromosomów rozdzielają się. Podczas mejozy II chromatydy siostrzane rozdzielają się i powstają cztery komórki haploidalne.

Każdy etap mitozy podzielony jest na profazę, prometafazę, metafazę, anafazę i telofazę.

Mejoza I.

- Profaza I. Chromosomy kondensują się i wrzeciono zaczyna się formować. DNA się podwoiło. Każdy chromosom składa się z chromatyd siostrzanych, przyłączonych do centromeru. Homologiczne chromosomy łączą się podczas synapsy, umożliwiając ich krzyżowanie, co jest kluczem do produkcji różnych gamet.

- Metafaza I. Para homologicznych chromosomów ustawia się wzdłuż płytki metafazy. Chiasm pomaga utrzymać parę razem. Mikrotubule kinetochoru na każdym biegunie wiążą się z centromerem homologicznego chromosomu.

- Anafaza I. Mikrotubule kinetochoru są skracane, a pary homologiczne są rozdzielane. Jeden zduplikowany homolog trafia do jednego bieguna komórki, podczas gdy drugi zduplikowany homolog trafia na drugą stronę bieguna.

- Telofaza I. Oddzielne homologi tworzą grupę na każdym biegunie komórki. Powłoka jądrowa odtwarza się. Dzieje się cytokineza. Powstałe komórki mają połowę liczby chromosomów oryginalnej komórki.

Mejoza II

- Proroka II. W każdej komórce tworzy się nowe wrzeciono i błona komórkowa znika.

- Metafaza II. Formowanie wrzeciona jest zakończone. Chromosomy mają siostrzane chromatydy, połączone w centromer, ustawione wzdłuż płytki metafazy. Mikrotubule kinetochoru, które zaczynają się od przeciwnych biegunów, wiążą się z centromerami.

- Anafaza II. Mikrotubule skracają się, dzielą się centromery, chromatydy siostrzane oddzielają się i poruszają w kierunku przeciwnych biegunów.

- Telophase II. Otoczka jądrowa jest utworzona wokół czterech grup chromosomów: powstają cztery komórki haploidalne.

Znaczenie

Niektóre przykłady ilustrują znaczenie różnych typów podziałów komórkowych.

- mitoza. Cykl komórkowy ma nieodwracalne punkty (replikacja DNA, oddzielenie chromatyd siostrzanych) i punkty kontrolne (G1 / S). Białko p53 jest kluczem do punktu kontrolnego G1. Białko to wykrywa uszkodzenia DNA, zatrzymuje podział komórek i stymuluje aktywność enzymów naprawiających uszkodzenia.

W ponad 50% przypadków raka u ludzi białko p53 ma mutacje, które niweczą jego zdolność do wiązania określonych sekwencji DNA. Mutacje w p53 mogą być spowodowane przez czynniki rakotwórcze, takie jak benzopiren w dymie papierosowym.

- Mejoza. Jest to związane z rozmnażaniem płciowym. Z ewolucyjnego punktu widzenia uważa się, że rozmnażanie płciowe powstało jako proces naprawy DNA. Zatem uszkodzenie chromosomu można naprawić na podstawie informacji z homologicznego chromosomu.

Uważa się, że stan diploidalny był przejściowy w starożytnych organizmach, ale stał się bardziej istotny w miarę powiększania się genomu. W tych organizmach rozmnażanie płciowe pełni funkcję uzupełniania, naprawy DNA i zmienności genetycznej.

Bibliografia

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. i in. 2007. Biologia molekularna komórki. Garland Science, Nowy Jork.
2. Bernstein, H., Byers, GS, Michod, RE 1981. Ewolucja rozmnażania płciowego: znaczenie naprawy DNA, komplementacji i zmienności. American Naturalist, 117, 537–549.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellular and Molecular biology. Od redakcji Medica Panamericana, Buenos Aires.
4. Raven, PH, Johnson, GB, Losos, JB, Singer, SR 2005 Biology. Szkolnictwo wyższe, Boston.
5. Solomon, BM, Berg, LR, Martin, DW 2008. Biology. Thomson, USA.