Cykl komórkowy, mitoza i mejoza - Biologia na czasie 1 (ZR)

1.Cykl komórkowy

Ogół procesów wzrostu i podziału komórki eukariotycznej - od jej powstania do podziału na dwie komórki potomne. Składa się z interfazy (fazy G1, S, G2), w której komórka rośnie, powiela organelle i podwaja materiał genetyczny, oraz fazy M - podziału komórki.

2.Kariokineza i cytokineza

Faza M obejmuje kariokinezę - podział jądra komórkowego - i cytokinezę - podział cytoplazmy. Kariokineza w cyklu komórkowym to mitoza; innym rodzajem kariokinezy jest mejoza. Nazwami mitoza i mejoza często określa się cały podział komórki.

3.Chromosomy homologiczne

Odpowiadające sobie chromosomy z dwóch zestawów komórki diploidalnej - jednego od matki, drugiego od ojca. Zwykle mają taką samą wielkość i geny warunkujące te same cechy. Wyjątek to chromosomy płci X i Y, różne długością i zestawem genów. Komórki ciała człowieka (poza gametami) mają 46 chromosomów.

4.Fazy interfazy: G1, S i G2

G1 - komórka rośnie i przygotowuje się do replikacji, m.in. syntetyzuje enzymy potrzebne do replikacji DNA. S - replikacja DNA (podwojenie ilości DNA) i synteza histonów, z którymi łączy się nowe DNA. G2 - nasilona synteza białek (poza histonami), w tym białek podziału, oraz podział mitochondriów i plastydów.

5.Faza G0

Faza spoczynkowa - wyjście komórki z cyklu. Wchodzą w nią komórki, które przestają się dzielić; mogą wtedy ulec specjalizacji, np. w komórki nerwowe. Komórki z fazy G0 mogą wrócić do cyklu, np. pod wpływem hormonów.

6.Punkty kontrolne cyklu komórkowego

Momenty, w których komórka sprawdza poprawność cyklu; regulują go białka regulatorowe, m.in. białko p53. Cykl może zostać zatrzymany: w G1 przy niesprzyjającym otoczeniu lub uszkodzonym DNA, w S przy nieukończonej replikacji, w G2 przy uszkodzonym DNA lub nieukończonej replikacji, w fazie M przy złym przyłączeniu chromosomów do wrzeciona. Gdy naprawa DNA się nie uda, komórka może ulec apoptozie.

7.Transformacja nowotworowa

Przemiana prawidłowej komórki w komórkę nowotworową. Może do niej dojść, gdy brakuje białka p53 albo jest ono nieprawidłowe - komórka kontynuuje cykl mimo uszkodzonego DNA. Komórka nowotworowa dzieli się nadmiernie i w niekontrolowany sposób, tworząc tkankę nowotworową.

8.Kondensacja chromatyny

Chromatyna (DNA z histonami) ma różny stopień upakowania, zależny m.in. od fazy cyklu. Największy osiąga podczas podziału komórki, dzięki czemu materiał genetyczny jest precyzyjnie rozdzielany do komórek potomnych. Fragmenty DNA w postaci wolnej (bez histonów) występują podczas replikacji (faza S) i odczytywania informacji genetycznej (G1, G2, G0).

9.Hierarchiczny model upakowania chromatyny

Podwójna helisa DNA łączy się z histonami w sznur nukleosomów (ok. 7 razy krótszy), który zwija się helikalnie we włókno 30 nm (ok. 40 razy krótsze). Włókno tworzy pętle przyczepione do macierzy jądrowej (jądro interfazowe, ok. 1700 razy krócej), a podczas podziału pętle układają się wokół białkowego rdzenia w chromosom metafazowy (ok. 12 tys. razy krócej).

10.Nukleosom

Podstawowa jednostka upakowania chromatyny: DNA nawinięte na rdzeń z 8 cząsteczek histonów. Histon łącznikowy zapobiega rozwinięciu się nukleosomu i stabilizuje włókno 30 nm. Białka macierzy jądrowej stabilizują pętle chromatynowe.

11.Chromosom metafazowy

Najbardziej skondensowana postać chromatyny. Składa się z dwóch chromatyd siostrzanych - każda zawiera jedną cząsteczkę DNA, a obie cząsteczki są identyczne, bo powstały w wyniku replikacji. Chromatydy łączy centromer, który dzieli chromosom na ramiona.

12.Mitoza - fazy i wynik

Podział jądra w fazie M, złożony z czterech faz: profazy, metafazy, anafazy i telofazy. Zachodzi m.in. w komórkach somatycznych zwierząt i roślin. Prowadzi do powstania dwóch komórek potomnych o niezmienionej liczbie chromosomów, identycznych genetycznie z komórką macierzystą.

13.Profaza mitozy

Chromosomy kondensują się - każdy jest zbudowany z dwóch chromatyd. Zanikają otoczka jądrowa i jąderko. Powstaje wrzeciono kariokinetyczne (podziałowe) z mikrotubul, do którego chromosomy przyczepiają się centromerami.

14.Metafaza mitozy

Chromosomy osiągają maksymalną kondensację - są krótkie, grube i dobrze widoczne w mikroskopie optycznym. Połączone z włóknami wrzeciona ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki, tworząc płytkę metafazową.

15.Anafaza mitozy

Centromery dzielą się, więc każdy chromosom rozdziela się na dwie chromatydy, które stają się chromosomami potomnymi. Skracające się włókna wrzeciona przemieszczają chromosomy potomne do przeciwległych biegunów komórki.

16.Telofaza mitozy

Chromosomy potomne ulegają dekondensacji, tworzy się wokół nich otoczka jądrowa i zaczyna formować się jąderko. Wrzeciono kariokinetyczne zanika, a na przeciwległych biegunach powstają dwa jądra potomne.

17.Zapis n i c

n oznacza liczbę chromosomów w pojedynczym zestawie, a c - ilość DNA w pojedynczym zestawie. Niedzieląca się komórka haploidalna (jeden zestaw) to 1n, 1c, a niedzieląca się komórka diploidalna (dwa zestawy, pary chromosomów homologicznych) - 2n, 2c.

18.Zmiany n i c w komórce diploidalnej podczas mitozy

W G1 komórka ma 2n, 2c. W fazie S replikacja podwaja ilość DNA (4c), ale liczba chromosomów się nie zmienia (2n) - każdy ma dwie chromatydy. W G2 nadal 2n, 4c. W fazie M każda komórka potomna dostaje po jednej chromatydzie z każdego chromosomu, więc ma 2n, 2c - tak jak komórka macierzysta.

19.Wrzeciono kariokinetyczne u roślin i zwierząt

U zwierząt w tworzeniu wrzeciona uczestniczy centrosom: podwaja się w interfazie, nowe centrosomy formują włókna wrzeciona w mitozie, a w cytokinezie trafiają do komórek potomnych. Większość komórek roślinnych nie ma centrosomu - wrzeciono powstaje u nich wyłącznie z udziałem białek motorycznych.

20.Cytokineza w komórkach zwierzęcych i roślinnych

Podział cytoplazmy (cytozolu i organelli). U zwierząt zaczyna się w anafazie: pierścień kurczliwy z filamentów aktynowych i miozynowych tworzy bruzdę podziałową i przewęża komórkę. U roślin zaczyna się na początku telofazy: we wrzecionie cytokinetycznym pęcherzyki aparatu Golgiego z pektynami i hemicelulozami zlewają się w przegrodę komórkową, z której powstaje blaszka środkowa.

21.Podział prosty bakterii

Sposób rozmnażania bakterii, który nie jest mitozą - bakterie nie mają jądra, centrosomów ani wrzeciona. DNA replikuje się przed podziałem, a obie kopie, przyczepione do błony i ściany w różnych miejscach, prawdopodobnie odsuwają się od siebie w miarę wzrostu komórki.

22.Znaczenie mitozy

Mitoza zwiększa liczbę identycznych genetycznie komórek. Umożliwia wzrost i rozwój organizmów, regenerację uszkodzonych lub utraconych komórek, tkanek i organów (np. gojenie ran), wymianę zużytych komórek (np. naskórka) oraz rozmnażanie bezpłciowe niektórych protistów, grzybów i roślin.

23.Apoptoza i jej znaczenie

Genetycznie zaprogramowana śmierć komórki - naturalny proces regulujący liczbę komórek organizmu wielokomórkowego. Umożliwia usuwanie zbędnych struktur (zanik ogona kijanki), eliminację niepotrzebnych komórek (część neuronów zarodka), kształtowanie części ciała (zanik błony między palcami ssaków) oraz eliminację komórek uszkodzonych, zainfekowanych lub nieprawidłowych.

24.Przebieg apoptozy

Jądro się obkurcza, DNA ulega fragmentacji, komórka traci wodę i się kurczy, a cytoszkielet ulega degradacji. Zanika otoczka jądrowa, błona się uwypukla, a komórka rozpada się na otoczone błoną ciałka apoptotyczne, pochłaniane i trawione przez sąsiednie komórki lub makrofagi. Zawartość komórki nie wydostaje się na zewnątrz, więc sąsiednie komórki nie są uszkadzane.

25.Mejoza (podział redukcyjny)

Podział jądra, w którym z jednej komórki diploidalnej (2n) powstają cztery komórki haploidalne (n) o zredukowanej o połowę liczbie chromosomów. Umożliwia wytwarzanie gamet u zwierząt oraz mejospor (zarodników) u roślin i grzybów, dzięki czemu potomstwo zachowuje stałą liczbę chromosomów gatunku.

26.Gdzie zachodzą mitoza i mejoza?

Oba podziały zachodzą wyłącznie w komórkach eukariotycznych. Mitoza może zachodzić w komórkach diploidalnych i haploidalnych, mejoza - tylko w diploidalnych. Przed mejozą jest interfaza (zwykle G1, S, G2), ale między dwoma podziałami mejotycznymi interfazy nie ma, więc rozpoczęcie mejozy oznacza wyjście komórki z cyklu komórkowego.

27.Przebieg mejozy - dwa podziały

Przed mejozą DNA ulega replikacji. I podział mejotyczny redukuje liczbę chromosomów i ilość DNA: rozdzielają się chromosomy homologiczne. II podział, bez wcześniejszej replikacji, rozdziela chromatydy. Każdy podział ma profazę, metafazę, anafazę i telofazę; w wyniku powstają cztery komórki potomne z pojedynczym zestawem chromosomów.

28.Profaza I

Otoczka jądrowa i jąderko stopniowo zanikają, formuje się wrzeciono, chromosomy kondensują się. Chromosomy homologiczne łączą się w pary (koniugacja), tworząc biwalenty, w których zwykle zachodzi crossing-over. Potem homologi zaczynają się rozdzielać, a pod koniec fazy ostatecznie zanika otoczka i powstaje wrzeciono podziałowe.

29.Koniugacja i biwalent

Koniugacja to układanie się chromosomów homologicznych w pary w profazie I. Para homologów to biwalent, inaczej tetrada chromatyd, bo zawiera łącznie cztery chromatydy - po dwie w każdym chromosomie.

30.Crossing-over

Wymiana odcinków chromatyd między chromosomami homologicznymi w biwalencie, zachodząca w profazie I. Powstają chromosomy o zmodyfikowanej kombinacji alleli (wersji genów), co jest podstawą zróżnicowania genetycznego osobników w obrębie gatunku.

31.Metafaza I i anafaza I

W metafazie I biwalenty przesuwają się do płaszczyzny równikowej, a włókna wrzeciona łączą się z centromerami. W anafazie I rozdzielają się chromosomy homologiczne: do biegunów wędrują losowo, po jednym z każdej pary, i każdy wciąż składa się z dwóch chromatyd połączonych centromerem.

32.Telofaza I

Chromosomy zgrupowane na biegunach częściowo się dekondensują, odtwarzają się otoczki jądrowe i jąderka, zachodzi cytokineza. Każda z dwóch komórek ma po jednym chromosomie z każdej pary homologów (1n, 2c).

33.II podział mejotyczny

Przystępują do niego obie komórki z I podziału, bez replikacji DNA. Profaza II: kondensacja, zanik otoczki i jąderka, wrzeciono. Metafaza II: chromosomy w płaszczyźnie równikowej, mikrotubule przy centromerach. Anafaza II: centromery się dzielą, chromatydy jako chromosomy potomne wędrują do biegunów. Telofaza II: dekondensacja, odtworzenie otoczki i jąderka, cytokineza.

34.Zmiany n i c podczas mejozy

G1: 2n, 2c; S: replikacja podwaja DNA - 2n, 4c; G2: 2n, 4c. I podział redukuje liczbę chromosomów i ilość DNA (z 2n do 1n i z 4c do 2c), bo do komórek trafia po jednym homologu z pary. II podział zmniejsza tylko ilość DNA (z 2c do 1c), a liczba chromosomów zostaje 1n.

35.Mejoza a stała liczba chromosomów

Komórka macierzysta gamet ma 2n, 2c, jak inne komórki ciała. Po replikacji i dwóch podziałach mejotycznych powstają gamety 1n, 1c. Podczas zapłodnienia gamety obojga rodziców łączą się w zygotę 2n, 2c - potomstwo ma więc tyle samo chromosomów co rodzice.

36.Znaczenie mejozy

Mejoza umożliwia rozmnażanie płciowe (powstają gamety), zachowanie stałej liczby chromosomów w kolejnych pokoleniach gatunku (gamety i mejospory mają zredukowaną liczbę chromosomów) oraz zróżnicowanie genetyczne osobników dzięki crossing-over w profazie I i losowej segregacji chromosomów w anafazie I.

37.Dlaczego zróżnicowanie genetyczne jest ważne dla gatunku?

W każdym pokoleniu powstają osobniki o nowych kombinacjach alleli, więc wśród potomstwa mogą się znaleźć takie, które przetrwają zmianę warunków środowiska, np. spadek ilości tlenu w wodzie, zmianę zasolenia podłoża albo pojawienie się nowego drapieżnika.

38.Porównanie mitozy z mejozą

Mitoza: komórki diploidalne i haploidalne, jeden podział, dwie komórki potomne o tej samej liczbie chromosomów i kombinacji alleli; służy wzrostowi, gojeniu ran i odtwarzaniu tkanek. Mejoza: tylko komórki diploidalne, dwa podziały, cztery komórki o połowie chromosomów i zmienionej kombinacji alleli; umożliwia rozmnażanie płciowe.

39.Dlaczego jąderko zanika podczas mitozy i mejozy?

W jąderku powstaje rRNA na podstawie DNA, co wymaga rozluźnionej chromatyny. Na początku podziału chromatyna kondensuje się w chromosomy, więc informacja genetyczna nie jest odczytywana i jąderko zanika; odtwarza się w telofazie.

40.Mejoza w komórkach macierzystych gamet u kobiet

Komórki macierzyste gamet rozpoczynają mejozę pod koniec okresu płodowego, przed urodzeniem dziewczynki. Podział zostaje zatrzymany na początkowym etapie i jest kontynuowany tuż przed każdą owulacją, więc mejoza pojedynczej komórki może trwać ponad 40 lat.