Mitoza i cykl komórkowy

Czasem używa się pojęcia cykl mitotyczny

Cykl mitotyczny – jeżeli cykl komórkowy kończy się mitozą

Cykl komórkowy składa się z interfazy i mitozy

Interfaza = interkineza – stan jądra w okresie między podziałami

Składa się z faz G₁ gap = przerwa , S, G₂ i G_o

Stadium G₁ – charakteryzuję się intensywnymi procesami metabolicznymi. Ilość makrocząsteczek w komórce wzrasta (np. fosfolipidów błonowych niezbędnych do odbudowy błon komórkowych, białka, różnych klas RNA i innych). Zwiększa się masa i objętość komórki.

Stadium S – replikacja DNA. Następuje podwojenie ilości DNA = programowa synteza DNA wg. sposobu semikonserwatywnego oraz synteza białek histonowych, podwaja się ilość DNA i histonów. Białka syntetyzowane są w cytoplazmie a nie w jądrze komórkowym Ilość DNA zwiększa się z 2c do 4c.

Stadium G₂ – okres preprofazowy. Zachodzi synteza białek wrzeciona podziałowego tubuliny. Białko to polimeryzuje w mikrotubule. U zwierząt i grzybów centriole dzielą się na dwie, które wyznaczają bieguny podziałowe.

Stadium G_o – jest to stan spoczynkowy komórki. Większość komórek wchodzi w fazę G_o z fazy G₁ cyklu komórkowego.

Niektóre komórki np. naskórka mogą wchodzić w fazę G_o z fazy G₂. Komórki znajdujące się z fazie G_o nie dzielą się i tym samym są poza cyklem komórkowym.

Większość komórek miąższowych narządów organizmu dorosłego np. wątroby, trzustki, nerek również jest poza cyklem komórkowym i praktycznie nie ma zdolności dzielenia się. Pod wpływem usunięcia części narządu następuje przejście z G_o do G₁ komórek i następują podziały komórek. Istnienie komórek G_o oraz ich zdolność wchodzenia w cykl komórkowy ma znaczenie np. w leczeniu nowotworów cytostatykami. Komórki G_o są niewrażliwe na cytostatyki. Leczenie cytostatykami eliminuje z nowotworów komórki znajdujące się w cyklu pozostawiając nienaruszone komórki G_o. Po pewnym czasie komórki G_o wchodzą w cykl komórkowy dając odnowę nowotworom.

Komórki, które tracą zdolność zahamowania podziałów stają się komórkami nowotworowymi , tracą zdolność hamowania kontaktowego, nie przechodzą w fazę G_o i wypełzają jedne nad drugie tworząc wielowarstwowe skupiska.

MITOZA

Mitoza jest sposobem zwiększenia liczby komórek przez podział. Wyróżniamy w tym podziale pośrednim: kariokinezę i cytokinezę. W czasie kariokinezy występuje 5 faz: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza, telofaza.

PROFAZA

Następuje kondensacja chromatyny.

Kondensacja = spiralizacja. W jądrze komórkowym w wyniku spiralizacji powstają chromosomy mitotyczne. Są to długie cienkie nici, składają się z dwóch chromatyd siostrzanych połączonych w miejscu zwanym centromerem. Powstaje kinetochor o strukturze blaszkowatej w określonym miejscu centromeru. Kinetochor jest to miejsce wiązania mikrotubul wrzeciona podziałowego.

W wyniku podziału 2 centriol u zwierząt powstają 4 centriole otoczone centrosferami. Pary centriol oddalają się od siebie i stają się biegunami wytwarzającego się wrzeciona podziałowego.

PROMETOFAZA

Na początku prometafazy otoczka jądrowa ulega fragmentacji i w tym czasie zanika też jąderko; tzw. stadium kontrakcji. W dzielącej się komórce widoczne są 2 gwiazdy czyli pary centriol, od których odchodzą promieniście mikrotubule. Kondensujące się chromosomy są łączone z elementami wrzeciona podziałowego. Łącznie to odbywa się w sposób zapewniający przejście każdej siostrzanej chromatydy do jednego bieguna komórki tj. do jednej potomnej komórki po dokonaniu mitozy.

METAFAZA

Chromosomy ulegają dalszej kondensacji i spiralizacji, która kończy się, gdy chromosomy ustawiają się w płytce metafazowej komórki. Chromosomy oglądane od strony bieguna tworzą figurę podobną do gwiazdy (gwiazda macierzysta), natomiast patrząc z boku widać płytkę metafazową. Pod koniec metafazy każdy z chromosomów ulega rozdzieleniu na 2 chromotydy. Następuje podział centromerów.

ANAFAZA

Następuje rozdzielenie siostrzanych chromatyd w miejscu centromerów. Następuje ruch chromosomów potomnych do przeciwległych biegunów komórki. Chromosomy są pociągane do biegunów w miejscach kinetochorowych. Są następujące teorie dotyczące przemieszczania się chromosomów do biegunów: ślizgowa, kieratowa zamka błyskawicznego i kołnierza ślizgającego.

TELOFAZA

Chromosomy znajdują się na biegunach i następuje proces dekondensacji = despizalizacji chromatyny = chromosomów. Chromosomy wydłużają się a ich struktura ulega rozluźnieniu.

Przy udziale chromosomów jąderkotwórczych rozpoczyna się synteza rRNA co jest następnym etapem odtworzenia jąderka. Wrzeciono podziałowe zanika. Powstaje otoczka jądrowa.

CYTOKINAZA

Rozpoczyna się pod koniec anafazy lub na początku telofazy.

Komórka wchodzi w stadium interfazy.

MEJOZA (mejosis )

Mejoza zachodzi w okresie gametogenezy w komórkach powstających w męskich i żeńskich organach rozmnażania np. w jądrach i jajnikach u zwierząt – w pręcikach, plemnikach, słupkach i rodniach u roślin podczas tworzenia się zarodników u roślin komórki Z jednej komórki haploidalnej powstają 4 komórki haploidalne. Komórki powstałe na drodze mejozy to mejocyty. Znaczenie mejozy 1/ zmienność rekombinacyjna, którą zapewnia crossing over 2/ reedukacja materiału genetycznego.

Czas trwania mejozy różny 50% dłużej w org. żeńskich niż męskich . U zwierząt np. u kobiet zapoczątkowana jest w okresie rozwoju zarodkowego a kończy w wieku kilkudziesięciu lat.

Przygotowanie komórek do mejozy odbywa się w premejotycznej fazie S, w tym okresie 99,7 – 99,8% DNA – jest to B-DNA ulega replikacji a ilość cząsteczek DNA zwiększa się do poziomu 4C. Natomiast pozostałe 0,2 – 0,3% DNA zwanego z-DNA genomu replikuje się w zygotenie dopiero, kiedy zachodzi koniugacja chromosomów homologicznych.

W fazie S następuje synteza (histonów) białek pistonowych.

B-DNA tworzy helis prawoskrętny z 10 parami nukleotydów przypadającymi na 1 skręt heliksu.

Z-DNA tworzy heliks lewoskrętny , 12 par nukleotydów wiązania fosfodiestrowe tworzą kształt litery Z. Replikacja Z-DNA zachodzi w zygotenie.

Przebieg mejozy

Na mejozę składają się 2 podziały, gdzie chromosomy dzielą się tylko 1 raz w wyniku czego 4 haploidalne jądra tworzą się z pierwotnego jądra o liczbie cząsteczek DNA 4C.

Po pierwszym podziale następuje redukcja DNA do 2C z 4C redukcja liczby chromosomów z 2n do 1n.

W czasie II podziału mejotycznego liczba chromosomów pozostaje na poziomie 1n –haploidalne a ilość cząsteczek DNA zmniejsza się z 2C do 1c.

Może także występować w profazie I proleptoten, proleptotenowa spiralizacja chromosomów.

Profaza I - podfazy: ( proleptoten) leptoten, zygoten, pachyten, diakineza

LEPTOTEN – stadium długich lepkich nici cienkich nici. Chromosomy pojawiające się w leptotenie są jak cienkie względnie gładkie i wyciągnięte nici a więc są zespiralizowane

Nastepuje despiralizacja chromosomem.

Nie obserwuje się w stadium leptotenu w chromosomach obszarów silnie zespiralizowanych ani pętli bocznych.

W leptotenie pojawiają się zaczątki elementów bocznych tworzącego się w zygotenie kompleksu synaptemalnego.

Kompleks synaptemalny jest unikalną strukturą związaną z chromosomem w okresie koniugacji /synapis w zygotenie/ i zawiera obok białek oraz RNA niewielką ilość Zyg – DNA

Całkowicie uformowany kompleks synaptemalny pojawia się w zygotenie i podobnie jak chromosomy jest on długi i poskręcany.

Krańce kompleksu synaptemalnego przylegają do wewnętrznej powierzchni otoczki jądrowej

ZYGOTEN stadium synapis, koniugacja chromosomów.

W stadium zygotenu parami łączą się wzdłuż chromosomy homologiczne, zwane odtąd biwalentami w jądrach diploidalnych. Chromosomy homologiczne łączą się w pary.

Ma miejsce synteza Zyg DNA w kompleksie synaptemalnym lub w jego pobliżu a synteza Z- DNA jest niezbędna do ustawienia się chromosomów homologicznych w pary oraz do tworzenia kompleksu synaptemalnego.

Koniugacja jest inicjowana w miejscach przyczepu chromosomów do błony jądrowej.

Warunkiem niezbędnym do koniugacji chromosomów jest także synteza białek. Jest to białko podobne do białka genu 32 istotnego dla replikacji i rekombinacji u bakteriofaga T₄ .

Chromosomy homologiczne – jeden pochodzi od od matki a drugi od ojca.

Chromosomy łączą się z kompleksem synaptemalnym i tworzą stadium bukietu, a same chromosomy połączone są z błoną jądrową.

PACHYTEN - stadium grubych nici.

Postępuje dalsza spiralizacja całkowicie skoniugowanych chromosomów homologicznych, które oplatając się wokół siebie skracają się i grubieją.

W każdym z chromosomów biwalentu widoczne są dwie chromatydy.

W stadium pachytenu zachodzi crosing over

Proces crosing over przebiega następująco. Po skoniugowaniu chromosomów homologicznych następuje wycięcie przez białko DNA azę II z fragmentów chromatyd niesiostrzanych chromosomów homologicznych, przy czym liczba wyciętych fragmentów przez DNA azę II wynosi ok 10⁵ na jądro mejotyczne. Wycięte odcinki DNA ulegają wymianie i następuje ich włączenie do DNA chromatydy drugiego chromosomu homologicznego Proces ten katalizowany jest przez enzym ligazę polinukledydową zależną od ATP. P-DNA inaczej reperatywny DNA – czuwa nad całością wycięcia i wszywani fragmentów DNA.

Końcowym etapem crosing over jest synteza DNA stanowiąca 0,1% (z jądrowego DNA). Ten DNA nosi nazwę P-DNA i jest on związany z włączaniem wymienionych odcinków do cząsteczki DNA chromatydy drugiego chromosomu homologicznego, jak również z wbudowaniem do macierzystego DNA odcinków nie wymienionych. Jest to reperacyjny DNA (P-DNA).

DIPLOTEN

Chromosomy homologiczne w biwalentach oddzielają się od siebie z wyjątkiem chiazm

Każdy biwalent podzielony jest na 2 chromatydy lub 2 chromosomy siostrzane

DIAKINEZA terminalizacja chiazm

W tym stadium następuje największy stopień spiralizacji chromosomów a liczba chiazm ulega redukcji poprzez ich terminalizację tj. przesuniecie ku krańcom biwalentów

a/ Biwalenty z jedną chiazmą przyjmują postać krzyża X lub litery V

b/ Biwalenty z dwoma chiazmami – litery O

c/ Biwalenty z trzema chiazmami tworzą dwie pętle (ósemki)

W okresie diakinezy chromosomy homologiczne = biwalenty są rozmieszczone na obwodzie jądra. Pod koniec diakinezy w prometafazie I

Stadium kontrakcji

Zanika jąderko i rozpada się otoczka jądrowa zaczyna się tworzyć wrzeciono kariokinetyczne przy udziale mikrotubul lub centroli u zwierząt

Biwalenty przesuwają się do płaszczyzny równikowej wrzeciona.

METAFAZA I

W metafazie I centromery każdego biwalentu leżą naprzeciwko siebie i są skierowane ku biegunom wrzeciona, końce natomiast ramion chromosomów biwalentów znajdują się w płaszczyźnie równikowej. Nie ma podziału centromeru . Pękają zaś chiazmy.

ANAFAZA I

Chromosomy homologiczne rozdzielają się i każdy z nich wędruje do przeciwnego bieguna, po czym następuje ich częściowa despiralizacja w telofazie I

TELOFAZA I

Jeśli stadium to pojawia się to odtwarza się otoczka jądrowa i jąderko.

Interfaza bardzo często trwa krótko

II podział mejotyczny zachodzi w sposób typowy dla mitozy.

Profaza II kończy się rozpadem otoczki jądrowej i utworzeniem wrzeciona podziałowego.

Metafaza II

Centromery siostrzanych chromatyd każdego chromosomu połączone są z włóknami wrzeciona biegnącymi do dwu przeciwległych biegunów leżą w płaszczyźnie równikowej wrzeciona a ich końce skierowane są ku biegunom.

Anafaza II

W anafazie II centromery ulegają rozdzieleniu i pojedyncze chromatydy przesuwają się do przeciwległych biegunów.

Telefaza II odtwarzają się jądra o n liczbie chromosomów

3 typy mejozy

I Typ zygotyczny lub inicjalny u haplontów grzyby i glony niższe. Diplaidalne zygota tych roślin dzieli się mejotycznie i powstałe haploidalnie komórki rozwijają się w organizmie o n liczbie chromosomów.

II Typ pośredni u większości roślin wykazuje przemianę pokoleń, mejoza ma miejsce na pograniczu faz haplo i diplofazy.

III Typ terminalny u większości zwierząt oraz nielicznych roślin (mejoza preganiczna , przedzapłodnieniowa). Komórki haploidalne powstałe w wyniku mejozy przekształcają się bezpośrednio w plemniki lub komórkę jajową a zygota rozwija się w organizm diploidalny dominujący nad haploidalnymi komórkami.

Endomitoza – endom wewnątrz + mitoza

Replikacja i podział chromosomów na dwie chromatydy siostrzane odbywający się wewnątrz nie naruszonej błony jadra komórkowego i prowadzący do endopoliploidalności, czyli zwiększenia liczby chromosomów bez normalnego podziału jadra oraz bez udziału wrzeciona podziałowego. Komórka powstała droga endomitozy nosi nazwę endopoliploidu. Endomitoza może przebiegać wielokrotnie w tej samej komórce, która osiąga wtedy wysoki stopień endopoliploidalności. Jeżeli chromosomy utworzone w wyniku endomitoz nie rozchodzą się lecz powstaje ściśle ze sobą połączone nazywa się je – chromosomami politenicznymi

Chromosomy politeniczne to inaczej chromosomy olbrzymie. Chromosomy śliniankowe występują w gruczołach śliniankowych owadów –muchówek stanowią one wiązkę licznych nici chromatyd powstałych w wyniku wielokrotnej replikacji i podziałów pojedynczych chromatyd.

Endoreduplikacja jest odmianą cyklu komórkowego, gdzie pojawia się replikacjia DNA w fazie S jednak bez mitozy. W wyniku endoreduplikacji ilość DNA ulega zwiększeniu co prowadzi do powstania jąder poliploidalnych. Endoreduplikacja może zachodzić w chondrocytach lub komórkach trofoblastu a w warunkach chorobowych w komórkach nowotworowych.

Amitoza – bezpośredni podział jądra komórkowego i cytoplazmy

Nie powstają chromosomy, ani wrzeciona podziałowe. Jądro dzieli się na 2 części stąd podział bezpośredni. Ten typ kariokinezy występuje rzadko i zwykle sygnalizuje starzenie się komórki, bądź inne zmiany degeneracyjne wynikłe np. z mutacji. Jednak w niektórych jądrach amitoza jest normalną droga podziału chromatyny np. w jądrach poliploidalnych.

Apoptoza to zaprogramowana śmierć komórki – dzięki temu mechanizmowi usuwane są zużyte lub uszkodzone komórki. Można je przyrównać do zaplanowanego samobójstwa komórki w organizmie wielokomórkowym mające na względzie dobro całego organizmu. W odróżnieniu od martwicy, gdzie dochodzi do uszkodzenia jakimś zewnętrznym czynnikiem, apoptoza jest zjawiskiem naturalnym w rozwoju i życiu organizmów. Termin apoptoza wprowadzono w 1972 roku i z greckiego oznacza nie śmierć komórki ale opadanie liści i kwiatów.

Apoptoza w odróżnieniu od nerkozy, polega na kurczeniu się komórki poprzez utratę wody. Szybkie zmiany w jądrze komórkowym mają charakter zorganizowany – chromatyna jądrowa ulega kondensacji, a DNA zostaje pocięte poprzez endonukleazy. Następuje dezintegracja cytoszkieletu. W procesie apoptozy organelle komórkowe pozostają jednak nienaruszone. Są one usuwane z komórki wraz z fragmentem chromatyny w tzw. ciałkach apoptycznych, pęcherzykach powstałych w wyniku zmian w strukturze błony komórkowej. W większości przypadków są one następnie fagocytowane przez komórki żerne. Wyjątkiem są np. ciałka apoptyczne soczewki oka, które zawierają zamiast cytoplazmy z organellami białko krystalinę. Apoptoza nie wywołuje stanu zapalnego.

Czynnikami powodującymi apoptozę mogą być:

• bodźce fizjologiczne – np. niedobory hormonów, czynników wzrostu;

• Występowanie cytokin – cząsteczki produkowane przez układ immunologiczny, np. interferon;

• Oddziaływania międzykomórkowe – na skutek przekazywania błędnych informacji o podziałach komórkowych

Odzwierciedleniem rosnącego zainteresowania badaniami nad apoptozą było przyznanie Nagrody Nobla z fizjologii lub medycyny w roku 2002. Otrzymali ją Sydney Brenner, H. Robert Horvitz i John E. Sullston za ich odkrycia z dziedziny genetycznej regulacji organogenezy i zaprogramowanej śmierci komórki.

Laureaci nagrody Nobla dokonali przełomowych odkryć w dziedzinie genetycznej regulacji rozwoju organów oraz zaprogramowanej śmierci komórek, posługując się modelem nicienia Caenorhabditis elegans.

Dzięki temu nicieniowi mogli w prosty sposób badać procesy rozwojowe i ich regulację.

Nicień o długości milimetra jest przezroczysty, więc podziały jego komórek można łatwo prześledzić pod mikroskopem.

Krótki cykl rozwojowy także ułatwia i przyspiesza badania.

Działając na robaka mutagennym związkiem chemicznym zwanym EMS, sprawdzano wpływ poszczególnych genów i ich mutacji na procesy rozwojowe.

John Sulston dowiódł, że zaprogramowana śmierć jest nieodłącznym elementem procesu różnicowania oraz zidentyfikował pierwszą mutację genu, biorącego udział w procesie śmierci komórki.

Wytwarzane pod wpływem genu nuc- 1 białko jest niezbędne od degradacji DNA martwej komórki.

Sulston prześledził też rodowód poszczególnych komórek Caenorhabditis elegans.

Spośród 1090 komórek tworzących ciało nicienia, 131 obumiera podczas rozwoju.

Każdy robak rozwija się tak samo i ma zawsze 959 komórek.

Robert Horvitz w serii eksperymentów wykazał, że istnieje genetyczny program kierujący apoptozą.

W roku 1986 zidentyfikował pierwsze dwa "geny śmierci"- ced-3 i ced-4.

Później wykrył, że inny gen-ced-9, oddziałując z ced-3 i ced-4 chroni komórki przed śmiercią.

Zidentyfikował geny kierujące eliminacją martwych komórek oraz wykazał, że w ludzkim genomie jest odpowiednik ced-3.

Obecnie wiemy, że większość genów Caenorhabditis elegans ma swoje odpowiedniki u człowieka.

Wiedza o zaprogramowanej śmierci komórek pomogła zrozumieć mechanizmy pozwalające wirusom i bakteriom atakować komórki ludzkiego organizmu.

W przypadku AIDS, choroby Alzheimera, udaru mózgu czy zawału serca dochodzi do nadmiernej aktywacji apoptozy i masowego wymierania komórek.

Natomiast w chorobach autoimmunologicznych komórki w normalnych warunkach skazane na zagładę żyją nadal i namnażają się, co prowadzi do niszczenia zdrowych tkanek.

Badania nad apoptozą stwarzają nadzieję na opracowanie nowych metod leczenia raka, opartych na wywołaniu zaprogramowanej śmierci nowotworu.

Poznanie procesów rozwojowych i badania nad ich regulacją mogą w przyszłości doprowadzić do hodowli nowych, kompletnych organów dla chorych.

Nekroza (nekros z greckiego oznacza umarły) jest biernym procesem degeneracyjnym. Następuje wówczas, gdy komórki zostają znacznie uszkodzone, przez czynniki fizyczne lub niedotlenienie. Dotyczy często dużych zwartych grup komórek.
Charakterystyczną cechą śmierci martwiczej jest pęcznienie komórki zapoczątkowane poszerzeniem siateczki śródplazmatycznej i powiększeniem mitochondriów.

Następnie dochodzi do zniesienia aktywnego transportu jonów przez błonę.

W kolejnym etapie błona komórkowa ulega perforacji.

Woda i jony wnikają do wnętrza komórki. Zaktywowane endonukleazy tną DNA na przypadkowe fragmenty o zróżnicowanej wielkości.

W ostatnim etapie martwicy dochodzi do rozpuszczenia komórki pod wpływem uwolnionych enzymów lizosomalnych.

Powstałe produkty rozpadu komórki wywołują miejscowy stan zapalny.