Podziały komórkowe – istota i przebieg mitozy oraz mejozy

Jedną z charakterystycznych cech organizmów żywych oraz pojedynczych komórek jest zdolność do rozmnażania się, czyli do wytwarzania potomstwa. W przypadku komórek oznacza to podział na komórki potomne. Komórki potomne zawierają w swoich jądrach taką samą informację genetyczną, co komórka macierzysta i są z nią identyczne, choć początkowo nieco mniejsze. Na podział całej komórki składają się dwa etapy: najpierw zachodzi dokładny podział jądra, zawierającego DNA, a następnie dzieli się cytoplazma i komórki potomne nabierają odrębności. Procesy te noszą nazwę kariokinezy (podział jądra) oraz cytokinezy (podział cytoplazmy). O podziałach jądra można mówić oczywiście jedynie w przypadku organizmów eukariotycznych, czyli grzybów, roślin, zwierząt i pierwotniaków. Organizmy prokariotyczne, do których należą bakterie i sinice, nie posiadają jądra komórkowego. Podział ich komórek oraz rozdzielanie materiału genetycznego zachodzą w nieco inny sposób.

U Eukariontów istnieją dwa zasadnicze rodzaje podziału jądra: mitoza oraz mejoza, różniące się istotą procesu.

MITOZA

Podział mitotyczny składa się z kilku etapów, które płynnie przechodzą jeden w drugi. Są to kolejno: profaza, metafaza, anafaza, telofaza.

Jeszcze przed rozpoczęciem podziału ilość DNA w jądrze komórkowym ulega podwojeniu, istotą mitozy jest bowiem takie jego rozdzielenie, by każda komórka potomna zawierała taką samą ilość materiału genetycznego, co komórka macierzysta. Tuż przed podziałem jądra podziałowi ulegają centriole. Są to tubularne struktury, lokujące się na przeciwległych biegunach jądra. Wokół nich tworzą się włókienka, układające się w kształt gwiaździsty - jest to tzw. astrosfera. Zaczynają też wykształcać się włókienka biegnące pomiędzy centriolami, od jednego bieguna do drugiego. Będą one tworzyły tzw. wrzeciono podziałowe.

Po przygotowaniu komórki do podziału, rozpoczyna się pierwszy jego etap - profaza. W tym stadium zanika otoczka jądrowa oraz jąderko. Luźna chromatyna wypełniająca jądra kondensuje się w widoczne pod mikroskopem chromosomy. Każdy chromosom składa się z dwóch połówek (chromatyd), które są swoimi kopiami. Chromatydy łączą się ze sobą w przewężeniu chromosomu, zwanym centromerem. Do centromerów przyczepią się z obu stron włókienka wrzeciona podziałowego - od każdego z biegunów komórki, gdzie znajdują się centriole.

Po tym początkowym etapie następuje metafaza. W tym stadium chromosomy ustawiają się w jednej płaszczyźnie, pośrodku komórki. Jest to płaszczyzna prostopadła do osi tworzonej przez włókienka wrzeciona podziałowego. Tak ułożone chromosomy określa się mianem płytki metafazowej lub płytki równikowej. Jest to forma charakterystyczna dla metafazy.

Następnym etapem podziału mitotycznego jest anafaza. Rozpoczyna się w momencie pękania centromerów. Następuje to w wyniku skracania się włókienek wrzeciona podziałowego - ponieważ są one przyczepione z obu stron centromerów i każde ciągnie w swoją stronę, centromer pęka, a chromatydy rozdzielają się od siebie. Są one teraz chromosomami potomnymi i ciągnięte przez skracające się wciąż wrzeciono podziałowe, wędrują do przeciwległych biegunów komórki. W ten sposób materiał genetyczny zostaje po równo rozdzielony do jąder potomnych - każde z nich zawiera ten sam bliźniaczy zestaw chromosomów.

Ostatni etap podziału jądra to telofaza. Wrzeciono podziałowe zanika i w pewnym sensie następuje odwrócenie profazy - odbudowuje się otoczka jądrowa a chromosomy potomne rozluźniają się, tworząc chromatynę. Powstają też nowe jąderka.

Teraz następuje jeszcze podział cytoplazmy, aby każde jądro potomne "otrzymało" własną komórkę. U zwierząt cytokineza zachodzi w wyniku tworzenia się i pogłębiania bruzdy w błonie komórkowej w środkowej części komórki. W komórkach roślinnych natomiast w cytokinezie biorą udział aparaty Golgiego, które do płaszczyzny równikowej komórki dostarczają materiałów budulcowych na nową ścianę komórkową - pektyn i celulozy.

Podsumowując więc istotę podziału mitotycznego, należy powiedzieć, że komórka diploidalna, mająca normalnie pewną ilość materiału genetycznego, którą oznaczymy jako 2c, przed podziałem podwaja tę liczbę do 4c. W trakcie mitozy ilość ta dzieli się na pół. W wyniku tego każda z komórek potomnych zawiera ponownie po 2c materiału genetycznego - czyli tyle samo, co komórka macierzysta. Ilość chromosomów w tym czasie nie ulega zmianom - komórka macierzysta posiada ich 2n, komórki potomne również. Jeśli komórka macierzysta ma haploidalny zestaw chromosomów (1n i 1c), wówczas podwojenie ilości materiału genetycznego prowadzi do 2c, a po podziale pozostaje 1c w każdej z komórek potomnych i niezmienione 1n chromosomów.

MEJOZA

Nie zawsze jednak sytuacja wymaga, aby liczna chromosomów w komórkach potomnych była zachowana. Podczas rozmnażania płciowego następuje łączenie się ze sobą gamet i z tak powstałej zygoty rozwija się nowy organizm. Gdyby gamety zawierały taką samą ilość chromosomów, co komórki macierzyste, czyli 2n, to zygota miałaby ich sumę, czyli 4n. Gamety tego organizmu miałyby również 4n chromosomów, a po połączeniu w zygocie znalazłoby się aż 8n! Taka sytuacja nie jest możliwa w świecie żywym i nie dochodzi do niej dzięki podziałom mejotycznym.

Istota mejozy polega na zredukowaniu o połowę ilości materiału genetycznego. W jej wyniku zatem każda z komórek potomnych będzie zawierała o połowę mniej chromosomów niż komórka macierzysta. Jako, że podstawowy komplet chromosomów w komórce wynosi 1n, nie można go już zredukować. Mejoza może więc zachodzić jedynie w komórkach, które są diploidalne (mają 2n chromosomów). Proces redukcji ilości chromosomów zachodzi u wszystkich organizmów rozmnażających się w sposób płciowy, w różnych momentach ich cyklu życiowego. Przebieg tego procesu jest jednak bardziej złożony, niż w przypadku mitozy.

Przed podziałem oczywiście zachodzi podwojenie ilości materiału genetycznego z 2c do 4c. Sama mejoza składa się z dwóch podziałów. Pierwszy podział to podział redukcyjny, zmniejszający liczbę chromosomów, a wraz z tym - ilość materiału genetycznego. Można w nim wyróżnić te same etapy, co w przebiegu mitozy, jednak szczególnie rozbudowana jest tutaj profaza. Następuje w niej wyodrębnienie chromosomów z chromatyny, ale początkowo nie są widoczne poszczególne chromatydy. Chromosomy homologiczne łączą się w pary tworząc biwalenty i ulegają pogrubieniu. Teraz dopiero dzielą się na wyraźne chromatydy. Każdy biwalent składa się więc z czterech chromatyd - tą strukturą określa się mianem tetrady. W tym stadium może następować pękanie chromatyd i wymiana odcinków pomiędzy chromatydami chromosomów homologicznych w tetradach. Tetrady ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki, a więc następuje metafaza. Wrzeciono podziałowe powoduje pękanie połączeń między chromosomami homologicznymi (nie między chromatydami, jak miało to miejsce w mitozie!). W kolejnym etapie - anafazie - do biegunów komórki wędrują więc nie chromatydy, ale całe chromosomy, a więc pary chromatyd. Telofaza po pierwszym podziale mejotycznym jest bardzo krótka, lub nie występuje wcale. Każde z nowo powstałych jąder potomnych od razu zaczyna dzielić się ponownie, wchodząc w drugi podział - wyrównawczy, który prowadzi do dalszej redukcji ilości materiału genetycznego, bez zmiany liczby chromosomów. Zachodzi on podobnie jak mitoza - w płaszczyźnie równikowej ustawiają się chromosomy złożone z chromatyd, chromatydy ulegają rozdzieleniu i wędrują do przeciwległych biegunów, gdzie następuje odtworzenie otoczki jądrowej i cytokineza.

W wyniku podziału mejotycznego z jednej macierzystej komórki diploidalnej, o liczbie chromosomów 2n (i 2c materiału genetycznego), powstają cztery(!) komórki potomne, z których każda zawiera haploidalny zestaw chromosomów (1n i 1c) - a więc zredukowany o połowę w stosunku do komórki macierzystej. Jest to podstawą procesu rozmnażania płciowego, ponieważ każdy z organizmów rodzicielskich redukuje ilość chromosomów w swoich gametach. Gamety po połączeniu się utworzą zygotę, w której liczba chromosomów będzie właściwa dla komórek danego gatunku. Oczywiście gamety to jedynie jeden z przykładów komórek powstających w wyniku mejozy. Innym przykładem są zarodniki mchów lub pyłek roślin nasiennych.