Rozmnožovanie bunky a bunkový cyklus

Rozmnožovanie bunky a bunkový cyklus

Reprodukcia – rozmnožovanie každého jedinca a jeho rast sú spojené s delením buniek. Reprodukcia buniek je jednou zo všeobecných vlastností buniek. Materské bunky sa delia – reprodukujú, čím dávajú vznik novým dcérskym bunkám, ktoré sú geneticky zhodné s materskou bunkou. Reprodukcia je základom individuálneho vývinu – ontogenézy mnohobunkového organizmu a dáva vznik aj pohlavným bunkám.

Výsledkom reprodukcie buniek sú nové generácie buniek a mnohobunkových organizmov. Reprodukcia je teda časť života bunky, v ktorom sa bunky delia, rastú a vyvíjajú sa podľa genetickej informácie zapísanej v DNA, ktorú získali z materskej bunky. Bunkové delenie zabezpečuje aj regeneráciu poškodených tkanív, orgánov a náhradu opotrebovaných buniek. Delenie buniek z hľadiska vývoja je základom kontinuity, t.j. udržania nepretržitosti života a druhu.

1. Chromozómy

– sú nositeľmi genetickej informácie

– sú súčasťou jadra /aj chloroplastov a mitochondrií/

– sú tvorené DNA a bielkovinou

– počas delenia bunky sú viditeľné ako dvojice paralelných chromatíd, ktoré sú spojené v mieste prvotného zúženia chromozómu /primárna konstrikcia/ – nazývanom centroméra

– na chromozómoch sa rozlišujú dve ramená, ktoré sú spojené v mieste centroméry – tento úsek chromozómu má dôležitú úlohu pri pohybe chromozómov počas delenia bunky

– niektoré chromozómy majú aj druhotné zúženie /sekundárna konstrikcia/, kde sa nachádza prívesok – satelit, spravidla oddelený organizátorom jadierka

Počet, tvar a veľkosť chromozómov je pre každý druh charakteristický a relatívne stály.

Súbor chromozómov v pohlavných bunkách sa nazýva sada. U človeka má sada 23 chromozómov.

V telových /somatických/ bunkách, ktoré vznikli delením zygoty /zygota vznikla splynutím dvoch pohlavných buniek – samčej a samičej/ sa teda nachádzajú 2 sady chromozómov. U človeka majú telové bunky 46 chromozómov.
Pohlavné bunky /gaméty/ majú teda polovičný – haploidný počet chromozómov, označujeme ich n – haploidné.

Telové bunky /somatické/ majú dvojnásobný počet chromozómov – diploidný, označujeme ich 2n – diploidné.

V somatických bunkách sa teda chromozómy vyskytujú v pároch, sú to párové

– homologické chromozómy /jeden pochádza od samca, druhý od samičky/.
Homologické chromozómy nesú informácie o tých istých znakoch /sú to dve kópie tých istých chromozómov/. U mužov sú výnimkou iba pohlavné chromozómy XY – sú heterologické.

2. Bunkový cyklus

Keď sa bunky po skončení bunkového delenia osamostatnia, začínajú prípravné fázy na ďalšie delenie buniek. Tieto prípravné procesy prebiehajú v interfáze bunkového cyklu /BC/.

Bunkový cyklus je cyklicky sa opakujúce delenie buniek, ktoré sa vo vhodných podmienkach opakuje. Súčasťou BC sú všetky procesy, ktoré sa dejú v bunke, t.j. rast, delenie jadra, delenie bunky a ostatných organel, ako aj rozkladné procesy v prípade buniek špecializovaných na rôzne funkcie spojené s ich starnutím a smrťou.

BC eukaryotických buniek tvoria v zásade dve etapy – interfáza /obdobie, keď sa bunka nedelí/ a bunkové delenie, najčastejšie mitóza.
Interfázu tvoria: G1–fáza – prípravná fáza
S – fáza – syntetická fáza
G2-fáza – prípravná fáza
M – fáza – mitóza /nastáva po interfáze BC/
Celý BC sa skladá zo štyroch fáz: G1-fáza, S-fáza, G2-fáza a M-fáza
Život bunky, ktorý predstavuje bunkové delenie a interfázu sa nazýva bunkový cyklus.
G1-fáza /postmitotická fáza/

– začína sa v okamihu vzniku dcérskejh bunky /po mitóze/

– prebiehajú tu najmä rastové procesy /bunka rastie/, spojené so syntézou bielkovín

– pripravuje sa zdvojenie – replikácia jadrovej DNA /zdvojenie chromozómov/

– je tu hlavný kontrolný uzol, ktorý má regulačnú funkciu: za nepriaznivých podmienok vonkajšieho prostredia, napr. pri nedostatku živín, pri nevhodnej teplote, pri nahromadení škodlivých látok sa zastavuje nielen priebeh G1-fázy, ale aj celého BC. Preto je G1-fáza z hľadiska časového trvania najvariabilnejšia.

S-fáza /syntetická fáza/

– má v BC špecifické postavenie; trvá časovo najdlhšie

– dochádza tu k syntéze /zdvojenie-replikácia/ DNA, a tým aj k zdvojeniu chromozómov – znásobí
sa genetický materiál /jednochromatidové chromozómy sa zdvoja, čím vzniknú dvojchromatidové
chromozómy
Kľúčovým procesom S – fázy je teda replikácia /zdvojenie/ DNA a následné zdvojenie jednochromatidových chromozómov na dvojchromatidové.

G2-fáza /predmitotická fáza/

– pokračuje syntéza bielkovín

– pribúdajú bunkové štruktúry

– bunka ďalej rastie a pripravuje sa na delenie jadra a samotnej bunky

M-fáza /mitotická fáza/

– prebieha tu rozdelenie jadra – karyokinéza a potom rozdelenie bunky – cytokinéza

– často sa stáva, že jadro sa viacnásobne rozdelí, ale bunka sa rozdelí iba raz,vznikajú viacjadrové
bunky – typické pre mikroskopické huby /nižšie/, alebo pre svalové vlákna /priečne pruhované/
Fázy BC eukar. buniek za normálnych okolností relatívne v priemere trvajú /ak je celý BC 100%/:
G1- fáza: 30 – 40% BC
S – fáza: 30 – 50% BC
G2 – fáza: 10 – 20% BC
M – fáza: 5 – 10% BC

Generačná doba bunky
Časové trvanie BC sa nazýva generačná doba bunky. Je daná geneticky a pre rozličné bunky je rozdielna – napr. baktérie asi 30 min., prvoky niekoľko hodín. Hlavným faktorom dĺžky života bunky sú vhodné životné podmienky /teplota, živiny a i./. Pokiaľ sa zastaví prísun živín, hlavný kontrolný uzol zablokuje delenie bunky a trvanie BC sa predĺži po určitú kritickú hranicu. Ak sa prísun živín neobnoví, bunka hynie.

3. Bunkové delenie

Sú známe dva základné spôsoby delenia buniek – mitóza – nepriame delenie a meióza – redukčné delenie. Existuje aj zriedkavý spôsob delenia buniek – amitóza – priame delenie.

a/ Mitóza – nepriame delenie
Je najčastejší spôsob delenia eukaryotických buniek. Materská bunka sa mitózou rozdelí na dve rovnocenné dcérske bunky, ktoré sa geneticky zhodujú s materskou bunkou. Mitóza zabezpečuje presné rozdelenie genetického materiálu nachádzajúceho sa v chromozómoch do dcérskych buniek.

Takto sa zachová genetická zhoda materských a dcérskych buniek.
Presné rozdelenie chromozómov do dcérskych buniek prebieha za pomoci mitotického aparátu. Mitotický aparát tvoria dve súčasti – centriol a deliace vretienko. Cenriol je stála štruktúra bunky uložená na povrchu jadrového obalu. Deliace vretienko je sústava mikrotubulov, ktorá vznikla už na začiatku mitózy a po jej skončení zaniká. Nie je to teda stála štruktúra.
Vlastnému deleniu bunky predchádzajú intenzívne syntetické procesy v interfáze bunkového cyklu.

V syntetickej báze /S-fáze/ bunkového cyklu sa DNA a hmota celého chromozómu znásobuje, čím sa znásobuje genetický materiál. Znamená to, že sa každý jednochromatidový chromozóm zdvojuje na dvojchromatidový, ktorý je však ešte spojený v mieste centroméry.

Rovnako sa zdvojuje – replikuje aj v chromozóme uložená DNA, čím sa zdvojí genetická informácia.
Chromozómy v tomto štádiu /v interfáze/ majú niťovitý tvar, sú rozpletené – dešpiralizované a preto sú mikroskopom nerozlíšiteľné.
Ďalšie morfologické zmeny jadra a chromozómov možno opísať v štyroch fázach /preto je mitóza nepriame delenie – postupné delenie pomocou mitotického aparátu/.
Fázy mitotického delenia sú – profáza, metafáza, anafáza a telofáza.

V profáze sa chromozómy skracujú a hrubnú – špiralizujú sa, a tak sa stávajú rozlíšiteľné a viditeľné. Sú na nich rozlíšené dve chromatídy, ktoré ale zostávajú spojené v mieste centroméry. Jadrová membrána sa rozpúšťa, zaniká jadierko a objavuje sa deliace vretienko. Centriol sa rozdelí na dve časti, ktoré sa presúvajú k pólom bunky.

V metafáze vrcholí špiralizácia, chromozómy sa skracujú a preto sú najlepšie pozorovateľné, dajú sa počítať a identifikovať. /Ich fotografovaním sa robí tzv. karyotyp – presný obraz chromozómov bunkového jadra/.
Dvojchromatidové chromozómy sa zaraďujú do centrálnej – rovníkovej /ekvatoriálnej/ roviny. Utvorí sa hviezdicovitý útvar – monaster. Deliace vretienko sa mikrotubulami pripája na jednom konci k centriolám a na druhom k centroméram chromozómov.
Dvojchromatidový chromozóm sa postupne rozdelí na dve dcérske chromatidy.

V anafáze po úplnom rozdelení centroméry na dve časti dochádza k skracovaniu mikrotubúl deliaceho vretienka, čím sa dcérske chromatidy každého chromozómu oddelia a rozchádzajú na protiľahlé póly bunkky. Chromozómy sa priťahujú k centriolám, tým že sa mikrotubuly deliaceho vretenka skracujú. Pri centriolách sa sústreďuje znova diploidný počet chromozómov. Vzniknuté dcérske chromozómy sú jednochromatidové až do obdobia novej S-fázy BC.

V telofáze deliace vretienko zaniká, jednochromatidové dcérske chromozómy sa dešpiralizujú /menia sa na dlhé vlákna/ a okolo nich sa vytvorí nová jadrová membrána. Objavuje sa jadierko. Obnovením štruktúry jadra končí karyokinéza a nasleduje cytokinéza – rozdelenie materskej bunky na dve samostatné dcérske bunky s tým istým počtom chromozómov ako mala materská bunka.

Znamená to, že ak bola materská bunka diploidná, budú diploidné i dcérske bunky: 2n ® 2n.
Podstata mitózy eukaryotickej bunky spočíva v tom, že bunka sa rozdelí raz a raz sa aj replikuje /zdvojí/ DNA.
(Rastlinné bunky v procese cytokinézy po vytvorení nových jadier v telofáze vytvárajú z vezikúl /mechúrikov/, ktoré sú oddelené od diktyozómov v centrálnej rovine priehradku – plazmatickú platničku. Vznik plazmatickej platničky možno pozorovať iba elektrónovým mikroskopom. )

b/ Amitóza – nepriame delenie

Je to pomerne zriedkavý spôsob bunkového delenia. Takto sa delia zrejme len patogénne bunky a bunky vyžadujúce urýchlenú reparáciu opotrebovaných alebo poškodených častí orgánov.
V priebehu amitózy sa chromozómy nezdvojujú a nevytvára sa deliaci aparát.

Jadro sa postupne zaškrcuje na dve časti, pričom zákonite nie je zaručené rovnomerné rozdelenie genetického materiálu.
Po rozdelení jadra sa rozdelí aj cytoplazma a vznikajú dve dcérske bunky. Časté amitózy vznikajú aj v bunkách poškodených, degenerovaných, nádorových a odumierajúcich tkanív.

c/ Meióza – redukčné delenie

Je osobitný spôsob delenia buniek, pri ktorom nastáva redukcia – zmenšenie počtu chromozómov na polovicu. Preto je meióza jediný možný spôsob vzniku pohlavných buniek- gamét /u živočíchov vajíčka a spermie, u vyšších rastlín spermatických buniek – v peľovom zrnku a vajcovej bunky/.

Pohlavné bunky musia mať polovičný počet chromozómov v porovnaní s telovými bunkami, pretože ak by mali mať rovnaký počet chromozómov ako telové bunky, t.j. diploidný – 2n, ich splynutím by vznikol jedinec 4n. Počet chromozómov by z generácie na generáciu rástol, čo nie je možné.
Meióza prebieha v dvoch po sebe nasledujúcich deleniach: 1. meiotické delenie – heterotypické

2. meiotické delenie – homeotypické
Meióza prechádza podobne ako mitóza štádiom profázy, metafázy, anafázy a telofázy, ktoré odrážajú zmeny v jadre a na chromozómoch.
Prvé meiotické delenie je charakteristické redukciou počtu chromozómov na polovicu, preto sa nazýva heterotypické /hetero=iný/.
Druhé meiotické delenie sa nazýva homeotypické /homo=rovnaký/, počet chromozómov sa v jeho priebehu nemení, takže je podobné ako normálna mitóza.

1. MEIOTICKÉ DELENIE – HETEROTYPICKÉ

Priebeh profázy heterotypického delenia na rozdiel od mitózy je zložitejší.
Začína sa po skončení interfázy, ktorej výsledkom je zdvojenie – replikácia DNA a vytvorenie dvojchromatidových chromozómov.
V profáze sa chromozómy stávajú viditeľné. Homologické chromozómy sa párujú, čím vznikajú dvojice chromozómov – bivalenty.

Keďže každý z homologických chromozómov je zdvojený – dvojchromatidový, v každom bivalente možno rozlíšiť štyri chromatidy homologických chromozómov. Vznik bivalentov je podmienený tvorbou špecifickej bielkoviny. Susediace chromatidy homologických chromozómov sa spravidla prekrížia /crossing–over/ a vymenia si navzájom genetický materiál.

Tak vznikajú chromozómy z časti otcovského aj materského pôvodu.
Na konci profázy sa homologické chromozómy oddeľujú, jadrová membrána zaniká a vytvára sa deliace vretienko.
(Profáza prvého meiotického delenia sa značne líši od mitotickej profázy aj dĺžkou trvania. Je podstatne dlhšia a zložitejšia. Rozdeľuje sa na niekoľko fáz:

– leptotéma – chromozómy sú dlhé vláknité

– zygotéma – homologické chromozómy sa párujú – vznik bivalentov

– pachytéma – chromozómy sa skracujú, špiralizujú a otáčajú sa okolo seba – prekríženie

– diplotéma – chromozómy sa začínajú centromérami odďalovať a v mieste prekríženia sa uskutoční crossing-over – rekombinácia genetického materiálu

– diakinéza – výrazné oddialenie chromozómov /bivalentov/)

V metafáze sa bivalenty, ktoré sa od seba oddelili sústreďujú v centrálnej rovine, ale zdvojené chromozómy sa pozdĺžne nerozdelia na dve chromatidy.

V anafáze sa homologické chromozómy, ktoré sú stále zdvojené rozchádzajú na protiľahlé póly bunky, čím nastáva redukcia počtu chromozómov na polovicu !
Podstatný rozdiel oproti anafáze mitózy je v tom, že v anafáze meiotického delenia putujú k pólom dvojchromatidové – zdvojené chromozómy.

V telofáze sa chromozómy dešpiralizujú, vytvorí sa jadrová membrána. Vznikajú dve dcérske jadrá – karyokinéza a nastáva cytokinéza, výsledkom sú dve dcérske bunky s polovičným počtom chromozómov.

Po prvom meiotickom delení nastáva krátka interfáza, v ktorej však nedochádza k ďalšej replikácii DNA. Po interfáze nastáva druhé meiotické delenie, ktoré je totožné s mitózou /dochádza tu už k rozdeleniu zdvojených chromozómov/.

2. MEIOTICKÉ DELENIE – HOMEOTYPICKÉ

Pokračuje v obidvoch bunkách s haploidným počtom chromozómov.
Na konci metafázy sa dvojchromatidové chromozómy pozdĺžne rozdelia na dve chromatidy.

V anafáze putujú chromozómy /jednochromatidové/ k protiľahlým pólom bunky a stávajú sa dcérskymi chromozómami.
V telofáze po vzniku dcérskych jadier s jednochromatidovými chromozómami nastáva druhýkrát cytokinéza – rozdelenie buniek.

Základný princíp redukčného delenia:
Replikácia – zdvojenie chromozómov prebehne iba raz, rozdelenie bunky prebehne dvakrát.

Podstatný rozdiel oproti mitózy spočíva v tom, že v anafáze prvého meiotického delenia sa k pólom presúvajú celé dvojchromatidové chromozómy.

Výsledok meiózy = z jednej diploidnej /2n/ bunky sa vytvárajú 4 haploidné /n/ bunky -gaméty
2n ® n

Konečným výsledkom meiózy sú 4 bunky – gaméty s haploidným počtom chromozómov.
Je nutné, aby gaméty mali polovičný /n/ počet chromozómov, pretože pri ich splývaní /oplodnení/ vzniká zygota, ktorá bude mať 2n počet chromozómov. Zygota sa ďalej mitotický delí, čím sa zabezpečí, že všetky telové bunky budú mať diploidný /2n/ počet chromozómov.

4. Regulácia bunkového cyklu

Reguláciu BC zabezpečujú regulačné mechanizmy. Riadia priebeh BC a na úrovni mnohobunkového organizmu zabezpečujú zodpovedajúci počet buniek vo všetkých tkanivách a orgánoch. Najčastejšie je látkový /chemický/ spôsob regulácie BC. Znamená to, že niektoré chemické látky majú stimulačný účinok, t.j. iniciujú bunkové delenie a iné, naopak, spomaľujú, až zastavujú bunkové delenie, t.j. pôsobia inhibične.

Medzi látky, ktoré spomaľujú až zastavujú bunkové delenie patria cytostatiká, ktoré sa úspešne využívajú pri liečbe nádorových ochorení. Regulačné pôsobenie chemických látok je účinné najmä v G1-fáze, kde je hlavný kontrolný uzol BC. Niektoré bunky rastlinných pletív /sitkovice/ a živočíšnych tkanív /bunky mozgu, erytrocyty/ majú geneticky trvalo zablokovanú schopnosť deliť sa.

Reguláciu BC môžu výrazne ovplyvniť aj vírusy, ktoré pri spolupôsobení vnútorných, ako aj vonkajších rizikových faktorov môžu za istých okolností spôsobiť nekoordinované delenie buniek, a tak vyvolávať tvorbu nádorov. Zhubné nádorové bujnenie, ktoré sa vymklo regulačným mechanizmom vedie ku vzniku vážneho ochorenia – rakoviny.