Duże organizmy wielokomórkowe złożone są z ogromnej ilości mikroskopijnych komórek. Każdy jednak zaczyna swój rozwój od pojedynczej komórki - komórki jajowej zapłodnionej przez plemnik. Ciało dorosłego człowieka składa się z bilionów komórek różnego rodzaju, a wszystkie one pochodzą od zygoty, powstałej po zapłodnieniu. Zygota dzieli się wielokrotnie, w wyniku czego powstają komórki potomne. One również się dzielą. I w ten sposób, poprzez ciągłe podziały komórek organizm rośnie. Jest to podstawowy mechanizm wzrostu organizmów wielokomórkowych - nie zwiększanie rozmiarów komórek, ale ich ilości. Każda komórka powiększa swoje rozmiary jedynie do pewnego momentu, potem ulega podziałowi, tworząc dwie swoje kopie. Są one identyczne z komórką macierzystą, a odpowiada za to precyzja procesu podziału. Wszystkie komórki ciała dzielą się w ten właśnie sposób - podział ten to mitoza. Materiał genetyczny zostaje rozdzielony po równo w taki sposób, że każda komórka potomna zawiera tę samą jego ilość, co komórka macierzysta. Przekazywanie materiału genetycznego komórkom potomnym jest przedmiotem badań genetycznych, wyjaśniających istotę i mechanizmy dziedziczenia. W inny sposób powstają komórki płciowe - w wyniku podziału mejotycznego, podczas którego zachodzi redukcja ilości materiału genetycznego. Komórki żyją krótko - w organizmie stale zachodzi ich wymiana: jedne umierają, zastępują je nowe. Intensywne podziały pozwalają też na regenerację i naprawianie uszkodzonych tkanek i ubytków. Podziały komórkowe mają więc ogromne znaczenie nie tylko dla wzrostu organizmu, ale i jego funkcjonowania już po osiągnięciu ostatecznych rozmiarów.

Materiał genetyczny w komórkach jest upakowany w chromosomy, które w komórkach somatycznych występują parami. Ich liczba jest charakterystyczna dla każdego gatunku i w całym świecie żywym zawiera się w granicach od 2 do kilkuset. Diploidalna (podwójna) liczna chromosomów człowieka wynosi 46, u muszki owocowej 8, u myszy 40, a u motylka hiszpańskiego 380. Diploidalność wynika z istnienia rozmnażania płciowego - w każdej parze chromosomów homologicznych jeden pochodzi z gamety żeńskiej (od matki), a drugi z gamety męskiej (od ojca). Jak już wspomniano, gamety powstają w wyniku podziału redukującego normalną ilość materiału genetycznego - są haploidalne. Po ich połączeniu zostaje więc odtworzona diploidalna ilość chromosomów. Chromosomy homologiczne są identyczne pod względem wielkości, kształtu oraz zawartej informacji genetycznej. Różnią się natomiast od innych par, dlatego w obrazie kariotypu łatwo można je odróżniać. Wyjątkiem są tu chromosomy płciowe - chromosom X i chromosom Y są całkiem od siebie różne.

Pomiędzy podziałami komórki istnieje okres zwany interfazą. Podczas samego podziału wyróżnia się kilka etapów, lecz należy pamiętać, że wszystkie procesy płynnie przechodzą jeden w drugi. Podział pojedynczej żywej komórki można obserwować za pomocą mikroskopu kontrastowo-fazowego lub polaryzacyjnego. Zwykle jednak komórki obserwowane są martwe i specjalnie wybarwione. Komórki nie dzielą się wszystkie jednocześnie, więc w obrazie mikroskopowym można odnaleźć komórki w różnych fazach mitozy. Etapy te to kolejno: profaza, metafaza, anafaza, telofaza.

INTERFAZA

Komórka znajduje się w interfazie przez większość swojego życia. W stadium tym rośnie i przygotowuje się do podziału. Materiał genetyczny nie występuje wówczas w postaci chromosomów, ale luźnej chromatyny. Odrębność poszczególnych chromosomów jest jednak zachowana. Oprócz chromatyny w jądrze komórki widoczne jest również jąderko o większej gęstości. Przygotowaniem do podziału jest w tym czasie podwojenie ilości materiału genetycznego (replikacja) oraz białek i organelli. Widać więc, że podział komórki polega na równomiernym rozdzieleniu jej uprzednio powielonej zawartości pomiędzy komórki potomne. W interfazie wyróżnia się trzy fazy:

  • G1 (od ang. gap - przerwa) - następuje wzrost rozmiarów komórki
  • S (synteza) - zachodzi replikacja DNA
  • G2 - ostateczne przygotowanie do podziału, dzielą się białka biorące udział w podziale oraz organella

PROFAZA

Za początek profazy oraz całego podziału uważa się moment wyodrębnienia wyraźnych chromosomów. Dotychczasowe luźne nici chromatynowe skracają się i grubieją, w wyniku czego powstają widoczne chromosomy. Ta kondensacja materiału genetycznego zachodzi w wyniku utraty wody oraz kurczenia się jego składników. Każdy chromosom składa się z dwóch identycznych połówek - chromatyd, które połączone są ze sobą w miejscu zwanym centromerem. Na centromerze znajduje się kinetochor - tutaj przyczepią się włókna wrzeciona podziałowego podczas dalszych etapów podziału. Z procesem podziału związane są centriole. Są to struktury składające się z dziewięciu białkowych tubul, lokujące się na przeciwległych biegunach jądra i komórki. Struktura tych tubul jest podobna do budowy ciałek podstawowych organelli ruchu - rzęsek i wici. Na początku profazy centriole wędrują do przeciwległych biegunów komórki, a otoczka jądrowa zanika. Wokół tubul wytwarzają się gwiaździste struktury, a następnie włókienka wrzeciona podziałowego, które przyłączają się do chromosomów i powodują ich przemieszczanie się. Włókienka mogą też przebiegać od jednego bieguna do drugiego, nie łącząc się z chromosomami. Centriole są widoczne pod mikroskopem jako maleńkie punkciki, a niekiedy nie widać ich w ogóle, ich wielkość bowiem jest na granicy rozdzielczości mikroskopu świetlnego. Wszystkie te elementy - centriole, gwiazdy i włókienka tworzą aparat mitotyczny, biorący udział w podziale komórki. Centriole nie występują u większości komórek roślinnych.

METAFAZA

Metafaza to etap, w którym wszystkie chromosomy ustawiają się w jednej płaszczyźnie. Jest to płaszczyzna równikowa komórki. Ułożone w ten sposób chromosomy określa się mianem płytki metafazowej. Do centromeru każdego z chromosomów przyczepione są z obu stron włókienka wrzeciona podziałowego. Kurczenie się włókienek powoduje jednoczesne pęknięcie wszystkich centromerów i rozdzielenie chromosomów na połówki. Moment pęknięcia centromerów wyznacza koniec metafazy i początek następnego etapu.

ANAFAZA

Podczas anafazy chromatydy powstałe po rozdzieleniu chromosomów wędrują do przeciwległych biegunów komórki. Każda chromatyda połączona jest z biegunem za pomocą włókienka wrzeciona podziałowego. Skracanie się włókienek powoduje przyciąganie chromatyd (będących już teraz chromosomami potomnymi) do bieguna. Obraz mikroskopowy wędrujących chromosomów może być różny, ponieważ centromery mogą znajdować się w różnych miejscach chromosomów - pośrodku, blisko jednego z końców lub na końcu. W zależności od tego może następować wygięcie chromosomu w kształt litery V lub może on mieć kształt prostej pałeczki. Dokładny mechanizm wędrówki chromosomów potomnych podczas anafazy nie został jeszcze poznany. Uważa się, że oprócz włókienek wrzeciona podziałowego, również centromery odgrywają w tym pewną rolę.

TELOFAZA

Telofaza to końcowy etap podziału jądra komórkowego. Chromosomy potomne znajdują się już przy biegunach komórki i ich struktura ulega rozluźnieniu. Jednocześnie tworzy się otoczka jądrowa, a w powstałych w ten sposób jądrach wyodrębniają się jąderka. Włókienka wrzeciona podziałowego zanikają, a centriole lokują się w pobliżu błony jądrowej, ale nie odgrywają już żadnej funkcji aż do następnego podziału.

Podział jądra komórkowego to jednak nie koniec całego podziału. Pod koniec podziału jądra następuje podział cytoplazmy, w wyniku czego powstają odrębne komórki potomne. W komórkach zwierzęcych już podczas wędrówki chromosomów potomnych do biegunów w środkowej części komórki pojawia się wpuklenie błony komórkowej, które pogłębia się i tworzy bruzdę. Stopniowo bruzda przedziela całkowicie komórkę na dwie potomne. W komórkach roślinnych podział cytoplazmy rozpoczyna się nieco później. Podczas odbudowywania otoczki jąder potomnych, w płaszczyźnie równikowej gromadzą się pęcherzyki wypełnione substancjami budulcowymi. Łączą się ze sobą i rozlewają, a ich zawartość tworzy przegrodę pierwotną, rozdzielającą dwie komórki potomne. Przegroda stopniowo ulega impregnacji substancjami wzmacniającymi. Nowa komórka zaczyna swój cykl życiowy od interfazy - powoli rośnie i przygotowuje się do kolejnego podziału.

Czas trwania podziału komórki zależy od wielkości komórki. Jest też związany z długością fazy G1 w interfazie. W przypadku bakterii podziały komórkowe mogą zachodzić co 15-20 minut w optymalnych warunkach temperatury i pożywienia. Niektóre komórki ssaków w hodowlach tkankowych potrzebują na podział mniej więcej jedną godzinę (od rozpoczęcia profazy do zakończenia telofazy). Komórki trzykrotki z kolei wykazywały różny czas trwania podziału w zależności od temperatury - w 45°C trwało to 30 minut, a w 25°C dłużej, bo 75 minut. Najwięcej czasu zajmuje stadium profazy oraz telofazy. Metafaza i anafaza są krótkie.

ZNACZENIE PODZIAŁÓW KOMÓRKOWYCH

Jak już wspomniano na początku, podział mitotyczny komórek jest podstawowym mechanizmem ich rozmnażania się, a co za tym idzie - wzrostu organizmów wielokomórkowych. Każda komórka potomna zawiera ten sam zestaw informacji genetycznej, co komórka macierzysta, pełni więc te same funkcje. Przed podziałem komórka powiększa swoje rozmiary oraz ilość materiału genetycznego, aby rozdzielić swoją zawartość w równomierny sposób, zapewniając komórkom potomnym odpowiednią ilość chromosomów oraz wszystkich innych składników.

W dorosłych, nie rosnących już organizmach, komórki również stale ulegają podziałom. Stare komórki obumierają, a ich miejsce zajmują nowe. Wymiana trwa nieustannie. Wyjątkiem są niektóre rodzaje komórek silnie wyspecjalizowanych, np. komórki nerwowe. Znajdują się one w fazie G0 i nie ulegają podziałom. Jeśli taka komórka umrze, nic jej już nie zastąpi i w tkance następuje ubytek. Dlatego choroby układu nerwowego są tak trudne do wyleczenia. Powstawanie nowych komórek jest niezmiernie ważne dla funkcjonowania wielu układów - stale powstają przecież nowe komórki krwi, produkowane są komórki rozrodcze oraz nowe komórki nabłonkowe, zastępujące warstwy złuszczające się. W przypadku zranienia tkanki intensywne podziały komórek powodują szybką regenerację.

Proces rozdzielania i przekazywania materiału genetycznego to obszar zainteresowania genetyków i ewolucjonistów. Teoria ewolucji zakłada bowiem, że wszystkie organizmy żywe mają wspólne pochodzenie. Jednakowy przebieg mitozy we wszystkich rodzajach komórek, u wszystkich organizmów jest jednym z dowodów, potwierdzających to. Pokrewieństwo pomiędzy poszczególnymi organizmami wynika z posiadania takiego samego zestawu informacji genetycznej. Różnice natomiast są skutkiem modyfikacji, zachodzących podczas podziału - te modyfikacje i wynikające z nich zróżnicowanie organizmów to podstawa ewolucji.

Najważniejsze terminy:

Centriole - struktury zbudowane z mikrotubul, znajdujące się na biegunach komórki, wytwarzające wrzeciono podziałowe;

Centromer - miejsce połączenia chromatyd w chromosomie, miejsce przyczepienia wrzeciona podziałowego i rozerwania chromosomu;

Chromatydy - identyczne połówki chromosomu, po rozerwaniu stają się chromosomami potomnymi i wędrują do przeciwległych biegunów komórki;

Chromatyna - luźna struktura materiały genetycznego w jądrze, zawierająca DNA połączone z białkami, podczas podziału kondensuje się w chromosomy;

Chromosomy homologiczne - chromosomy identyczne pod względem budowy oraz zawartej informacji genetycznej;

Gwiazda - struktura wytwarzana przez centriole, składająca się z promienistych włókienek;

Wrzeciono podziałowe - struktura tworzona przez włókienka, rozciągająca się pomiędzy biegunami komórki podczas podziału, biorąca udział w rozdzielaniu chromosomów potomnych;

Lektury :

"Podstawy biologii" Louis E. deLanney ,Thomas A. Cole ,Willi H. Johnson

"Mejoza, mitoza, cytokineza" Halina Krzanowska