MITOZA: FAZY I ICH CECHY, FUNKCJE I ORGANIZMY - BIOLOGIA - 2025

Mitozy to proces podziału komórki, gdzie komórka wytwarza genetycznie identycznych komórek potomnych; dla każdej komórki generowane są dwie „córki” z takim samym ładunkiem chromosomowym. Podział ten zachodzi w komórkach somatycznych organizmów eukariotycznych.

Proces ten jest jednym z etapów cyklu komórkowego organizmów eukariotycznych, który składa się z 4 faz: S (synteza DNA), M (podział komórki), G1 i G2 (fazy pośrednie, w których wytwarzane są mRNA i białka) . Razem fazy G1, G2 i S są uważane za interfejs. Podział jądrowy i cytoplazmatyczny (mitoza i cytokineza) stanowią ostatni etap cyklu komórkowego.

Przegląd mitozy. Źródło: Viswaprabha

Na poziomie molekularnym mitoza jest inicjowana przez aktywację kinazy (białka) zwanej MPF (czynnik promujący dojrzewanie) i wynikającą z tego fosforylację znacznej liczby białek składowych komórki. Ta ostatnia umożliwia komórce przedstawienie zmian morfologicznych niezbędnych do przeprowadzenia procesu podziału.

Mitoza jest procesem bezpłciowym, ponieważ komórka progenitorowa i jej córki mają dokładnie tę samą informację genetyczną. Te komórki są znane jako diploidalne, ponieważ przenoszą pełny ładunek chromosomalny (2n).

Z drugiej strony mejoza to proces podziału komórek, który prowadzi do rozmnażania płciowego. W tym procesie diploidalna komórka macierzysta replikuje swoje chromosomy, a następnie dzieli się dwa razy z rzędu (bez replikowania swojej informacji genetycznej). Wreszcie, generowane są 4 komórki potomne z tylko połową ładunku chromosomów, które nazywane są haploidami (n).

Przegląd mitozy

Mitoza w organizmach jednokomórkowych generalnie wytwarza komórki potomne, które są bardzo podobne do ich przodków. W przeciwieństwie do tego, podczas rozwoju istot wielokomórkowych proces ten może spowodować powstanie dwóch komórek o różnych cechach (mimo że są genetycznie identyczne).

To różnicowanie komórek powoduje powstawanie różnych typów komórek, z których składają się organizmy wielokomórkowe.

Podczas życia organizmu cykl komórkowy zachodzi w sposób ciągły, nieustannie tworząc nowe komórki, które z kolei rosną i przygotowują się do podziału poprzez mitozę.

Wzrost i podział komórek są regulowane przez mechanizmy, takie jak apoptoza (programowana śmierć komórki), które pozwalają na utrzymanie równowagi, unikając nadmiernego wzrostu tkanki. W ten sposób zapewnia się, że uszkodzone komórki są zastępowane nowymi, zgodnie z wymaganiami i potrzebami organizmu.

Jak istotny jest ten proces?

Zdolność do rozmnażania się jest jedną z najważniejszych cech wszystkich organizmów (od jednokomórkowych do wielokomórkowych) i komórek, które go tworzą. Ta jakość zapewnia ciągłość informacji genetycznej.

Zrozumienie procesów mitozy i mejozy odegrało fundamentalną rolę w zrozumieniu intrygujących cech komórkowych organizmów. Na przykład właściwość polegająca na utrzymywaniu stałej liczby chromosomów w różnych komórkach u osobnika i między osobnikami tego samego gatunku.

Kiedy doznajemy jakiegoś skaleczenia lub rany na skórze, obserwujemy, jak w ciągu kilku dni uszkodzona skóra regeneruje się. Dzieje się tak dzięki procesowi mitozy.

Fazy ​​i ich charakterystyka

Ogólnie rzecz biorąc, mitoza przebiega według tej samej sekwencji procesów (faz) we wszystkich komórkach eukariotycznych. W tych fazach w komórce zachodzi wiele zmian morfologicznych. Wśród nich kondensacja chromosomów, pęknięcie błony jądrowej, oddzielenie komórki od macierzy zewnątrzkomórkowej i innych komórek oraz podział cytoplazmy.

W niektórych przypadkach podział jądra i podział cytoplazmatyczny są uważane za odrębne fazy (odpowiednio mitozę i cytokinezę).

Dla lepszego poznania i zrozumienia procesu wyznaczono sześć (6) faz, zwanych: profazą, prometafazą, metafazą, anafazą i telofazą, po czym cytokineza jest uważana za fazę szóstą, która zaczyna się rozwijać podczas anafazy.

Telofaza to ostatnia faza mitozy. Zaczerpnięte z https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitosepanel.jpg. Via Wikimedia Commons

Fazy ​​te badano od XIX wieku pod mikroskopem świetlnym, dzięki czemu można je dziś łatwo rozpoznać na podstawie cech morfologicznych komórki, takich jak kondensacja chromosomów i tworzenie się wrzeciona mitotycznego.

Proroka

Proroka. Leomonaci98, źródło Wikimedia Commons

Profaza jest pierwszą widoczną manifestacją podziału komórek. W tej fazie pojawienie się chromosomów można postrzegać jako rozpoznawalne formy ze względu na postępujące zagęszczanie chromatyny. Ta kondensacja chromosomów rozpoczyna się od fosforylacji cząsteczek histonu H1 przez kinazę MPF.

Proces kondensacji polega na skurczu, a tym samym na redukcji wielkości chromosomów. Dzieje się tak z powodu zwijania się włókien chromatyny, tworząc łatwiejsze do przemieszczenia struktury (chromosomy mitotyczne).

Chromosomy poprzednio zduplikowane w okresie S cyklu komórkowego przybierają dwuniciowy wygląd, zwany chromatydami siostrzanymi, nici te są utrzymywane razem w regionie zwanym centromer. W tej fazie znikają również jąderka.

Formowanie wrzeciona mitotycznego

Silvia3, źródło Wikimedia Commons

Podczas profazy powstaje wrzeciono mitotyczne, zbudowane z mikrotubul i białek, które tworzą zestaw włókien.

W miarę formowania się wrzeciona mikrotubule cytoszkieletu są demontowane (poprzez dezaktywację białek, które utrzymują ich strukturę), dostarczając niezbędnego materiału do powstania wspomnianego wrzeciona mitotycznego.

Centrosom (bezbłonowe organelle, funkcjonujące w cyklu komórkowym), powielony na granicy faz, działa jako jednostka montażowa mikrotubul wrzeciona. W komórkach zwierzęcych centrosom ma w środku parę centrioli; ale są one nieobecne w większości komórek roślinnych.

Zduplikowane centrosomy zaczynają się od siebie oddzielać, podczas gdy mikrotubule wrzeciona gromadzą się w każdym z nich, rozpoczynając migrację w kierunku przeciwnych końców komórki.

Pod koniec profazy rozpoczyna się rozerwanie otoczki jądrowej, zachodzące w oddzielnych procesach: demontażu porów jądrowych, blaszki jądrowej i błon jądrowych. Ta przerwa pozwala mitotycznemu wrzecionowi i chromosomom na rozpoczęcie interakcji.

Prometafaza

Leomonaci98

Na tym etapie otoczka jądrowa została całkowicie rozdrobniona, tak że mikrotubule wrzeciona atakują ten obszar, oddziałując z chromosomami. Oddzieliły się dwa centrosomy, każdy zlokalizowany na biegunach wrzeciona mitotycznego, na przeciwnych końcach komórek.

Teraz wrzeciono mitotyczne zawiera mikrotubule (które rozciągają się od każdego centrosomu w kierunku środka komórki), centrosomy i parę astrów (struktury z radialnym rozmieszczeniem krótkich mikrotubul, które rozwijają się z każdego centrosomu).

Każda z chromatyd rozwinęła wyspecjalizowaną strukturę białkową, zwaną kinetochorem, zlokalizowaną w centromerze. Te kinetochory są zlokalizowane w przeciwnych kierunkach i niektóre mikrotubule, zwane mikrotubulami kinetochorowymi, przylegają do nich.

Te mikrotubule, przyłączone do kinetochoru, zaczynają przesuwać się do chromosomu, od końca którego rozciągają; niektórzy z jednego bieguna, a inni z drugiego bieguna. Stwarza to efekt „przyciągania i kurczenia”, który po ustabilizowaniu pozwala chromosomowi znaleźć się między końcami komórki.

Metafaza

Chromosomy wyrównane w równikowej płytce komórki podczas metafazy mitotycznej

W metafazie centrosomy znajdują się na przeciwnych końcach komórek. Wrzeciono wykazuje wyraźną strukturę, w środku której znajdują się chromosomy. Centromery tych chromosomów są przymocowane do włókien i ustawione w wyimaginowanej płaszczyźnie zwanej płytką metafazową.

Kinetochory chromatydowe pozostają przyłączone do mikrotubul kinetochorowych. Mikrotubule, które nie przylegają do kinetochorów i rozciągają się od przeciwnych biegunów wrzeciona, oddziałują teraz ze sobą. W tym momencie mikrotubule astry stykają się z błoną plazmatyczną.

Ten wzrost i wzajemne oddziaływanie mikrotubul dopełnia strukturę wrzeciona mitotycznego, nadając mu wygląd „klatki dla ptaków”.

Morfologicznie ta faza jest fazą najmniej zmian, dlatego uznano ją za fazę spoczynku. Jednak choć nie są one łatwo zauważalne, zachodzi w nim wiele ważnych procesów, poza tym, że są najdłuższym etapem mitozy.

Anafaza

Źródło: Leomonaci98, źródło Wikimedia Commons

Podczas anafazy każda para chromatyd zaczyna się rozdzielać (z powodu inaktywacji białek, które je trzymają). Oddzielne chromosomy przemieszczają się na przeciwległe końce komórki.

Ten ruch migracyjny jest spowodowany skróceniem mikrotubul kinetochoru, generującym efekt „przyciągania”, który powoduje, że każdy chromosom przemieszcza się od swojego centromeru. W zależności od umiejscowienia centromeru na chromosomie może przybrać określony kształt, np. V lub J.

Mikrotubule nie przylegające do kinetochoru rosną i wydłużają się w wyniku adhezji tubuliny (białka) oraz działania poruszających się po nich białek motorycznych, umożliwiając zatrzymanie kontaktu między nimi. Gdy oddalają się od siebie, bieguny wrzeciona również robią, wydłużając ogniwo.

Pod koniec tej fazy grupy chromosomów znajdują się na przeciwnych końcach wrzeciona mitotycznego, pozostawiając na każdym końcu komórki kompletny i równoważny zestaw chromosomów.

Telophase

Telophase. Leomonaci98

Telofaza to ostatnia faza podziału jądra. Mikrotubule kinetochoru rozpadają się, podczas gdy mikrotubule polarne ulegają dalszemu wydłużeniu.

Błona jądrowa zaczyna tworzyć się wokół każdego zestawu chromosomów, wykorzystując jądra otoczki komórki progenitorowej, które były jak pęcherzyki w cytoplazmie.

Na tym etapie chromosomy znajdujące się na biegunach komórki ulegają całkowitej dekondensacji w wyniku defosforylacji cząsteczek histonów (H1). Tworzenie elementów błony jądrowej jest kierowane przez kilka mechanizmów.

Podczas anafazy wiele fosforylowanych białek w profazie zaczęło defosforylować. Dzięki temu na początku telofazy pęcherzyki jądrowe zaczynają się ponownie składać, łącząc się z powierzchnią chromosomów.

Z drugiej strony pory jądra są ponownie składane, co umożliwia pompowanie białek jądrowych. Białka blaszki jądrowej są defosforylowane, co pozwala im na ponowne połączenie się, aby zakończyć tworzenie się wspomnianej blaszki jądrowej.

Wreszcie, po całkowitym zdekondensowaniu chromosomów, wznawia się syntezę RNA, tworząc ponownie jądra i tym samym kończąc tworzenie nowych jąder międzyfazowych komórek potomnych.

Cytokineza

Cytokineza jest traktowana jako odrębne wydarzenie od podziału jądra i zwykle w typowych komórkach proces podziału cytoplazmatycznego towarzyszy każdej mitozie, począwszy od anafazy. Kilka badań wykazało, że w niektórych zarodkach przed podziałem cytoplazmatycznym zachodzi wiele podziałów jądrowych.

Proces zaczyna się od pojawienia się rowka lub szczeliny zaznaczonej w płaszczyźnie płytki metafazowej, zapewniając podział na grupy chromosomów. Miejsce pęknięcia jest wskazywane przez wrzeciono mitotyczne, mikrotubule astry.

W zaznaczonej szczelinie znajduje się szereg mikrowłókien tworzących pierścień skierowany w stronę cytoplazmatycznej strony błony komórkowej, złożony głównie z aktyny i miozyny. Białka te oddziałują ze sobą, umożliwiając skurcz pierścienia wokół rowka.

Skurcz ten jest generowany przez ślizganie się włókien tych białek, podczas interakcji ze sobą, w taki sam sposób, jak na przykład w tkankach mięśniowych.

Skurcz pierścienia pogłębia się, wywierając efekt „zaciskania”, który ostatecznie dzieli komórkę progenitorową, umożliwiając oddzielenie komórek potomnych wraz z ich rozwijającą się zawartością cytoplazmatyczną.

Cytokineza w komórkach roślinnych

Komórki roślinne mają ścianę komórkową, więc ich proces podziału cytoplazmatycznego różni się od opisanego wcześniej i rozpoczyna się w telofazie.

Tworzenie nowej ściany komórkowej rozpoczyna się, gdy mikrotubule resztkowego wrzeciona są złożone, tworząc fragmoplast. Ta cylindryczna struktura składa się z dwóch zestawów mikrotubul, które są połączone na końcach i których bieguny dodatnie są osadzone w płytce elektronicznej w płaszczyźnie równikowej.

Małe pęcherzyki z aparatu Golgiego, wypełnione prekursorami ściany komórkowej, wędrują przez mikrotubule fragmoplastu do regionu równikowego, łącząc się, tworząc płytkę komórkową. Zawartość pęcherzyków jest wydzielana do tej płytki w miarę jej wzrostu.

Ta płytka rośnie, łącząc się z błoną plazmatyczną wzdłuż obwodu komórki. Dzieje się tak z powodu ciągłego przegrupowywania mikrotubul fragmoplastu na obrzeżu płytki, umożliwiając większej liczbie pęcherzyków przemieszczanie się w kierunku tej płaszczyzny i opróżnianie ich zawartości.

W ten sposób zachodzi cytoplazmatyczne rozdzielenie komórek potomnych. Wreszcie, zawartość płytki komórkowej wraz z zawartymi w niej mikrowłóknami celulozowymi pozwala na zakończenie tworzenia nowej ściany komórkowej.

cechy

Mitoza jest mechanizmem podziału w komórkach i jest częścią jednej z faz cyklu komórkowego u eukariotów. W prosty sposób możemy powiedzieć, że główną funkcją tego procesu jest rozmnażanie się komórki w dwóch komórkach potomnych.

Dla organizmów jednokomórkowych podział komórkowy oznacza powstawanie nowych osobników, natomiast dla organizmów wielokomórkowych proces ten jest elementem wzrostu i prawidłowego funkcjonowania całego organizmu (podział komórkowy generuje rozwój tkanek i utrzymanie struktur).

Proces mitozy jest aktywowany zgodnie z wymaganiami organizmu. Na przykład u ssaków czerwone krwinki (erytrocyty) zaczynają się dzielić, tworząc więcej komórek, gdy organizm potrzebuje lepszego poboru tlenu. Podobnie, białe krwinki (leukocyty) rozmnażają się, gdy jest to konieczne do zwalczania infekcji.

W przeciwieństwie do niektórych wyspecjalizowanych komórek zwierzęcych praktycznie nie ma procesu mitozy lub jest on bardzo powolny. Przykładami tego są komórki nerwowe i komórki mięśniowe).

Na ogół są to komórki, które są częścią tkanki łącznej i strukturalnej organizmu i których rozmnażanie jest konieczne tylko wtedy, gdy komórka ma defekt lub uszkodzenie i wymaga wymiany.

Regulacja wzrostu i podziału komórek.

System podziału i kontroli wzrostu komórek jest znacznie bardziej złożony w organizmach wielokomórkowych niż jednokomórkowych. W tym drugim przypadku reprodukcja jest zasadniczo ograniczona dostępnością zasobów.

W komórkach zwierzęcych podział zostaje zatrzymany do momentu pojawienia się pozytywnego sygnału aktywującego ten proces. Ta aktywacja następuje w postaci sygnałów chemicznych z sąsiednich komórek. Pozwala to zapobiegać nieograniczonemu wzrostowi tkanek i rozmnażaniu się uszkodzonych komórek, które mogą poważnie zaszkodzić życiu organizmu.

Jednym z mechanizmów kontrolujących namnażanie się komórek jest apoptoza, w której komórka umiera (w wyniku produkcji pewnych białek, które aktywują autodestrukcję), jeśli wykazuje znaczne uszkodzenia lub jest zakażona wirusem.

Istnieje również regulacja rozwoju komórek poprzez hamowanie czynników wzrostu (takich jak białka). Zatem komórki pozostają na granicy faz, bez przechodzenia do fazy M cyklu komórkowego.

Organizmy, które to wykonują

Proces mitozy zachodzi w zdecydowanej większości komórek eukariotycznych, od organizmów jednokomórkowych, takich jak drożdże, które wykorzystują ją jako proces rozmnażania bezpłciowego, po złożone organizmy wielokomórkowe, takie jak rośliny i zwierzęta.

Chociaż ogólnie cykl komórkowy jest taki sam dla wszystkich komórek eukariotycznych, istnieją znaczące różnice między organizmami jednokomórkowymi i wielokomórkowymi. W pierwszym przypadku wzrostowi i podziałowi komórek sprzyja dobór naturalny. W organizmach wielokomórkowych proliferacja jest ograniczona przez ścisłe mechanizmy kontrolne.

W organizmach jednokomórkowych rozmnażanie zachodzi w sposób przyspieszony, ponieważ cykl komórkowy przebiega w sposób ciągły, a komórki potomne szybko przechodzą w mitozę, aby kontynuować ten cykl. Natomiast komórki organizmów wielokomórkowych rosną i dzielą się znacznie dłużej.

Istnieją również pewne różnice między procesami mitotycznymi komórek roślinnych i zwierzęcych, ponieważ w niektórych fazach tego procesu, jednak w zasadzie mechanizm działa podobnie w tych organizmach.

Podział komórek w komórkach prokariotycznych

Komórka prokariotyczna

Komórki prokariotyczne generalnie rosną i dzielą się szybciej niż komórki eukariotyczne.

Organizmy z komórkami prokariotycznymi (zazwyczaj jednokomórkowe lub w niektórych przypadkach wielokomórkowe) nie posiadają błony jądrowej, która izoluje materiał genetyczny w jądrze, więc jest on rozproszony w komórce, w obszarze zwanym nukleoidem. Te komórki mają okrągły główny chromosom.

Podział komórek w tych organizmach jest zatem znacznie bardziej bezpośredni niż w komórkach eukariotycznych, pozbawionych opisanego mechanizmu (mitozy). W nich rozmnażanie odbywa się w procesie zwanym rozszczepieniem binarnym, w którym replikacja DNA rozpoczyna się w określonym miejscu na chromosomie kolistym (początek replikacji lub OriC).

Następnie powstają dwa źródła, które migrują na przeciwne strony komórki w miarę replikacji, a komórka jest rozciągnięta do dwukrotnego rozmiaru. Pod koniec replikacji błona komórkowa wrasta do cytoplazmy, dzieląc komórkę progenitorową na dwie córki o tym samym materiale genetycznym.

Ewolucja mitozy

Ewolucja komórek eukariotycznych przyniosła ze sobą wzrost złożoności genomu. Wiązało się to z opracowaniem bardziej rozbudowanych mechanizmów podziału.

Co poprzedziło mitozę?

Istnieją hipotezy, które sugerują, że podział bakteryjny jest poprzednim mechanizmem mitozy. Stwierdzono pewien związek między białkami związanymi z rozszczepieniem binarnym (które mogą być tymi, które zakotwiczają chromosomy w określonych miejscach na błonie komórkowej córek) z tubuliną i aktyną w komórkach eukariotycznych.

Niektóre badania wskazują na pewne osobliwości w podziale współczesnych jednokomórkowych protistów. W nich błona jądrowa pozostaje nienaruszona podczas mitozy. Zreplikowane chromosomy pozostają zakotwiczone w pewnych miejscach na tej błonie, rozdzielając się, gdy jądro zaczyna się rozciągać podczas podziału komórki.

Pokazuje to pewną zbieżność z procesem podwójnego rozszczepienia, w którym zreplikowane chromosomy przyczepiają się do określonych miejsc na błonie komórkowej. Hipoteza następnie sugeruje, że protisty, które prezentują tę cechę podczas podziału komórki, mogły zachować tę cechę prokariotycznej komórki przodków.

Obecnie nie ma jeszcze wyjaśnień, dlaczego w komórkach eukariotycznych organizmów wielokomórkowych konieczna jest dezintegracja błony jądrowej w procesie podziału komórki.

Bibliografia

1. Albarracín, A. i Telulón, AA (1993). Teoria komórki w XIX wieku. Wydania AKAL.
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberth, K. i Walter, P. (2008). Biologia molekularna komórki. Garland Science, Taylor and Francis Group.
3. Campbell, N. i Reece, J. (2005). Biologia 7 ^th Edition AP.
4. Griffiths, AJ, Lewontin, RC, Miller, JH i Suzuki, DT (1992). Wprowadzenie do analizy genetycznej. McGraw-Hill Interamericana.
5. Karp, G. (2009). Biologia komórkowa i molekularna: koncepcje i eksperymenty. John Wiley & Sons.
6. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP i Matsudaira, P. (2008). Biologia komórek molekularnych. Macmillan.
7. Segura-Valdez, MDL, Cruz-Gómez, SDJ, López-Cruz, R., Zavala, G. i Jiménez-García, LF (2008). Wizualizacja mitozy za pomocą mikroskopu sił atomowych. WSKAZÓWKA. Magazyn specjalizujący się w naukach chemiczno-biologicznych, 11 (2), 87-90.