Bunkové delenie je základný biologický proces, ktorý je základom udržania života na Zemi. Umožňuje organizmom rásť, opravovať poškodené štruktúry a rozmnožovať sa. Premýšľali ste niekedy nad tým, ako sa z jednej bunky vyvinie zložitý organizmus alebo ako naše telo denne nahradí miliardy buniek? Odpoveďou je bunkové delenie.
Bunkový Cyklus: Život Bunky v Cykle
Každá bunka v našom tele má vlastný životný cyklus. Počas jednej časti tohto cyklu sa DNA (látka uskladňujúca informácie, prítomná vo všetkých živých organizmoch), uložená v jadre, kopíruje. V ďalšej fáze cyklu sa bunka buď delí alebo odpočíva. Niektoré bunky, napríklad bunky kože, dokončujú cyklus každých 24 hodín. Bunkový cyklus predstavuje obdobie života bunky od jej vzniku delením až po opätovné rozdelenie. Život bunky však samozrejme nie je obmedzený len na jej rast a delenie, pretože by tak nemohlo dôjsť k vzniku integrovaného mnohobunkového organizmu so špecializovanými skupinami buniek (tkanivami alebo pletivami).
Bunkový cyklus sa skladá z niekoľkých fáz:
- G1-fáza (postmitotická)
- S-fáza (syntetická)
- G2-fáza (postsyntetická)
- M-fáza (mitotická)
G1-fáza: Príprava na Delenie
Začína najčastejšie v okamihu rozdelenia bunky (po vzniku novej bunky), bunka sa zotavuje z delenia, začínajú syntetické procesy - tvoria sa látky potrebné pre replikáciu DNA. V G1 fáze sa nachádza kontrolný uzol bunkového cyklu, V ňom sa bunkový cyklus zastavuje pri regulácii bunkového delenia (v prípade nepriaznivých podmienok alebo pod vplyvom inhibítorov. V tomto období sa syntetizujú ribozómy, bielkoviny, vytvára sa zásoba nukleotidov (nukleozidtrifosfátov, NTP), syntetizujú sa enzýmy potrebné pre replikáciu DNA. Ku koncu tejto fázy vstupujú do jadra históny a kyslé proteíny (spomínané enzýmy + ďalšie). Taktiež dochádza k zväčšovaniu objemu cytoplazmy a delia sa aj mitochondrie. Je to časovo najvariabilnejšia ale zväčša najdlhšia fáza bunkového cyklu.
S-fáza: Replikácia DNA
Trvá asi 1/4 cyklu, Prebieha syntéza látok v bunke, ale najmä replikácia DNA. Po skončení S-fázy má jadro dvojnásobný počet chromozómov (v skutočnosti sa zdvojujú chromatidy , ktoré zostávajú spojené v mieste centroméry a rozdelia sa až neskôr v anafáze mitózy). Výsledkom je zdvojnásobenie genetického materiálu v bunke. V tejto fáze je bunka fyziologicky tetraploidná ( ( 2 \times 2n = 4n ) ). Koncom S-fázy každý chromozóm pozostáva z dvoch identických chromatíd.
Prečítajte si tiež: Prevencia ovčích kiahní
G2-fáza: Príprava na Mitózu
Je druhou prípravnou fázou, pokračujú syntetické procesy, pribúdajú bunkové štruktúry, bunka ďalej rastie a pomaly sa pripravuje na delenie jadra. Prebieha syntéza tubulínu na deliace vretienko.
M-fáza: Mitóza a Cytokinéza
Fáza delenia bunky, v nej sa najprv rozdelí jadro a potom celá bunka. Mitózou sa zabezpečuje presné rozdelenie buniek na dve úplne rovnaké bunky. M-fáza má prívlastok mitotická, pretože v nej dochádza k rozdeleniu buniek na dve geneticky identické dcérske bunky. Mitóza je základný spôsob reprodukcie jadra bunky - karyokinéza, za ktorým nasleduje delenie tela bunky - cytokinéza. Výsledkom mitotického delenia je vznik dvoch dcérskych buniek, ktoré majú rovnakú genetickú výbavu ako mala ich materská bunka.
Typy Bunkového Delenia: Mitóza vs. Meióza
Dva hlavné typy bunkového delenia, mitóza a meióza, hrajú v týchto funkciách kľúčovú úlohu. Mitóza je zodpovedná za všeobecný rast a opravu vytváraním identických buniek, zatiaľ čo meióza vytvára genetickú diverzitu prostredníctvom produkcie gamét.
Mitóza: Kópia Materskej Bunky
Mitóza je forma delenia buniek, ktorá je základom života. Tento proces je spôsob, akým sa bunky rozmnožujú a vytvárajú dve identické sady z jednej bunky. Je to motor rastu vášho tela a schopnosti hojiť rany. Mitóza však nie je len jednoduché rozdelenie, ale podrobný, starostlivo koordinovaný sled udalostí. Je súčasťou väčšieho cyklu známym ako bunkový cyklus, ktorý zahŕňa obdobia rastu, replikácie DNA a delenia buniek. Bunkový cyklus sa často znázorňuje v jednotlivých fázach, pričom mitóza je jednou z posledných fáz. Porozumenie mitózy nám poskytuje pohľad na to, ako sa naše telo udržiava a ako prebiehajú základné funkcie, ako je rast a oprava. Mitóza je základný proces bunkovej reprodukcie, ktorý zabezpečuje, že každá nová bunka dostane presnú kópiu chromozómov materskej bunky.
Mitóza prebieha v niekoľkých fázach:
Prečítajte si tiež: Definícia 757 Nosiča: Čo potrebujete vedieť
- Profáza
- Metafáza
- Anafáza
- Telofáza
Profáza: Príprava na Rozdelenie
Profáza je začiatok mitózy. Tu sa jadro pripravuje na delenie. Chromozómy, ktoré sa replikovali počas predchádzajúcej fázy bunkového cyklu, kondenzujú a pod mikroskopom sú viditeľné ako zreteľné entity v tvare X. Každý chromozóm sa skladá z dvoch sesterských chromatíd spojených v oblasti centroméry.
Metafáza: Usporiadanie Chromozómov
Metafáza, charakteristická organizáciou a usporiadaním, je fázou, v ktorej sa chromozómy usporiadajú na rovníkovej úrovni bunky a vytvárajú takzvanú metafázovú platničku. Vlákna vretienka sa z opačných koncov bunky pripájajú k centroméram každého chromozómu. Chromozómy sa sústredia do centrálnej roviny bunky a v mieste centroméry sa prichytia na vlákna mitotického aparátu. Začínajú sa pomaly pozdĺžne deliť (oddeľujú sa od seba dve chromatidy vzniknuté v S-fáze).
Anafáza: Oddelenie Chromatíd
Táto fáza označuje skutočné oddelenie sesterských chromatíd. Vlákna vretienka sa skracujú a ťahajú chromatidy od seba a smerom k protiľahlým pólom bunky. Tento pohyb zabezpečuje, že bude mať každá nová bunka identickú sadu chromozómov. Dokončuje sa rozdelenie chromozómov (oddelenie chromatíd). Vlákna deliaceho vretienka sa pomaly skracujú a ťahajú jednotlivé chromozómy k vlastným pólom bunky. Na konci anafázy sú na póloch bunky sústredené rozdelené chromozómy. Chromatidy sú priťahované k pólom bunky mikrotubulami (rúročky podieľajúce sa na stavbe deliaceho vretienka).
Telofáza: Vznik Dvoch Jadier
Telofáza je záverečná fáza mitózy, počas ktorej sa bunka začne deliť na dve. Chromozómy sa na každom póle bunky začínajú dekondenzovať a vracajú sa do menej viditeľnej, vláknitej formy. Okolo každej sady chromozómov sa znovu vytvárajú jadrové obaly, čím vznikajú dve samostatné jadrá. Syntetizuje sa priehradka v centrálnej rovine, dochádza k rozdeleniu buniek - cytokinéza. Okolo chromozómov sa vytvára jadrová membrána, objavuje sa jadierko. Chromozómy sa rozpúšťajú, stávajú sa "neviditeľnými". Zaniká deliace vretienko. Na konci telofázy vznikajú dve nové bunky. Chromozómy na póloch sú obklopené jadrovou membránou. Vznikajú dve jadrá - karyokinéza.
Meióza: Vznik Geneticky Rozmanitých Buniek
Meióza je špecializované delenie buniek, ktoré znižuje počet chromozómov na polovicu a vytvára štyri geneticky jedinečné dcérske bunky. Tento proces je nevyhnutný pre pohlavné rozmnožovanie, pretože produkuje gaméty - spermie u samcov a vajíčka u samíc - z ktorých každá nesie jedinečnú kombináciu génov. Na rozdiel od mitózy, ktorá prebieha vo všetkých somatických (nerozmnožovacích) bunkách a vedie k vzniku dvoch geneticky identických dcérskych buniek, meióza pozostáva z dvoch po sebe nasledujúcich kôl bunkového delenia - meióza I a meióza II - ale len z jedného kola replikácie DNA. Táto sekvencia zabezpečuje, že každá gaméta obsahuje len jeden súbor chromozómov, alebo haploid, v porovnaní s diploidným súborom, ktorý sa nachádza v somatických bunkách. Kľúčové rozdiely medzi mitózou a meiózou zdôrazňujú ich odlišné úlohy v organizmoch. Meióza je osobitný typ delenia diferencujúcich sa pohlavných buniek eukaryotických organizmov, kde z diploidnej materskej bunky (2n) vznikajú štyri haploidné bunky (n).
Prečítajte si tiež: Sprievodca rozvodom pre rodičov
Meiózu môžeme charakterizovať ako dve bezprostredne za sebou prebiehajúce bunkové delenia - I. a II. meiotické delenie, pri ktorých dochádza len jeden raz k replikácii DNA. Táto redukcia genetickej informácie je nevyhnutná pri vzniku pohlavných buniek, ak sa nemá počet chromozómov v jednotlivých generáciách neustále zvyšovať. Možnosť dvoch meiotických delení je možná párovaním homologických chromozómov v profáze I. Homologické chromozómy sú morfologicky zhodné chromozómy diploidnej bunky, z ktorých je jeden maternálneho (od matky) a druhý paternálneho (od otca) pôvodu. Homologické chromozómy nie sú geneticky úplne identické, pretože nesú rôzne varianty (alely) viacerých génov. Obsahujú však rovnaké väzbové skupiny (usporiadanie génov na nich je rovnaké), čo je predpokladom ich úspešného párovania v profáze I.
- Meióza I: Redukčné Delenie
- Meióza II: Ekvacionálne Delenie
Meióza I: Redukcia Počtu Chromozómov
Meióza I sa od meiózy II odlišuje svojou úlohou pri redukcii počtu chromozómov na polovicu, čo je kľúčový krok pohlavného rozmnožovania. I. sa nazýva aj redukčné (heterotypické) delenie, pretože jeho výsledkom sú dve dcérske bunky s polovičným (haploidným) počtom chromozómov. Toto delenie sa skladá z rovnakých fáz ako mitóza. Rozhodujúcim rozdielom sú procesy prebiehajúce v profáze I.
Profáza I. meiotického delenia je pomerne komplikovaná, preto v rámci nej rozlišujeme niekoľko štádií:
- leptoténne štádium (gr. leptos = úzky)
- zygoténne štádium (gr. zygos = spojenie)
- pachyténne štádium (gr. pachys = hrubý)
- diploténne štádium (gr. diplos = dvojitý)
- štádium diakinézy
Leptoténne štádium: Chromatín sa kondenzuje a opticky diferencuje na dlhé tenké vlákna - chromozómy. Chromatídy sú v tesnej blízkosti, v dôsledku čoho nie je viditeľná dvojitá štruktúra chromozómov.
Zygoténne štádium: Dochádza k rozlišovaniu homologických chromozómov a ich vzájomnému fyzickému spojeniu. Počiatočný kontakt homologických chromozómov vedie k vytvoreniu tzv. synaptonemálneho komplexu, ktorý predstavuje súbor bielkovín držiaci chromozómy spolu. Tento proces nazývame konjugácia homologických chromozómov a jeho výsledkom je vznik bivalentov (tetrád). Bivalent má teda 4 chromatidy.
Pachyténne štádium: Toto štádium je charakteristické výmenou úsekov DNA medzi nesesterskými chromatidami homologických chromozómov, čo sa označuje ako rekombinácia (crossing-over). Miesta, kde k tomu dochádza sa nazývajú chiazmy. Rekombinácia zvyšuje mnohonásobne genetickú variabilitu vzniknutých gamét. Rekombinácia (výmena génov, ktorou vznikajú nové kombinácie). Počas meiózy dochádza k výmene génov dvomi spôsobmi -prostredníctvom crossing over alebo náhodného výberu. Ten vzniká preto, lebo každá bunka má dva súbory chromozómov - každú od iného rodiča. Počas meiózy tieto dva súbory nezostávajú pohromade, ale sa náhodne delia, takže každá nová bunka dostane chromozómy z oboch sád.Crossing over (presun génov medzi homologickými chromozómami)Po začatí meiózy sa spoja homologické chromozómy a vytvoria tetrády. Každý chromozóm má dve chromatidy, takže tetráda ich má štyri. Chromatidy v každej tetráde vytvoria vzájomné spojenia, chiazmy, a navzájom si vymenia úseky. Potom sa chromozómy oddelia.
Diploténne štádium: Synaptonemálny komplex sa rozpadá, ale chromozómy ostávajú spojené v miestach chiaziem, ktoré indikujú crossing-over, tzn. že medzi každými homologickými chromozómami prebehne aspoň jedna rekombinácia.
Štádium diakinézy: Chiazmy sú dobre viditeľné v mikroskope. Dochádza k dezintegrácii jadierka a jadrovej membrány.
Počas profázy I. dochádza k migrácii centriol na opačné póly bunky v podobnom duchu ako pri mitóze. Na každý bivalent sa pripájajú len dva kinetochórové mikrotubuly. Profáza I. Kinetochórové mikrotubuly obidvoch centrozómov sú pripojené na kinetochóry bivalentov, ktoré sa nachádzajú v ekvatoriálnej rovine bunky. Keďže každý chromozóm má len jeden kinetochór, celé dvojchromatidové chromozómy putujú skracovaním kinetochórových mikrotubulov k pólom bunky. Na konci anafázy I. Prvé meiotické delenie je ukončené, keď všetky chromozómy dorazia k obom pólom bunky. Mikrotubuly deliaceho vretienka zmiznú a vybuduje sa nová jadrová membrána okolo oboch súborov chromozómov. Potom prebehne cytokinéza a bunka sa rozdelí. Dcérske bunky teraz majú polovičný počet chromozómov pozostávajúce každý z dvoch chromatíd ako mala ich materská bunka. Interkinetické štádium je krátke obdobie po prvom meiotickom delení. Označuje sa niekedy aj ako interfáza II. V tomto období nenastáva replikácia DNA.
Meióza II: Oddelenie Sesterských Chromatíd
Dokončením meiózy I sa vytvárajú základy pre meiózu II, kde sa oddelením sesterských chromatíd dokončí produkcia geneticky odlišných gamét. II. meiotické delenie je zhodné s normálnym mitotickým delením. Nazýva sa aj ekvačné (homeotypické) delenie. V profáze II. dochádza k zániku jadrovej membrány a jadierok, chromozómy sa skracujú a hrubnú. Centrozómy organizujú nové deliace vretienko, ktoré je zväčša orientované 90° na rovinu pôvodného deliaceho vretienka v meióze I. V metafáze II. obsahuje každý chromozóm dva kinetochóry, na ktoré sú pripojené vlákna kinetochórových mikrotubulov deliaceho vretienka orientujúc tak chromozómy do ekvatoriálnej roviny kolmej na rovinu spojnice centrozómov. Rozrušením väzby medzi centromérami chromatíd v anafáze II. dôjde k separácii dcérskych chromozómov, ktoré ďalej putujú k opačným pólom bunky. Telofáza II. ukončuje II. meiotické delenie vytvorením jadrovej membrány okolo dcérskych chromozómov, ktoré sa dekondenzujú a vytvorí sa jadierko. Nasleduje ďalšie rozdelenie bunky. Meióza je kompletná.
Meióza II veľmi pripomína mitózu, ale prebieha v jedinečnom kontexte meiózy, po redukčnom delení meiózy I. Jej hlavným cieľom je oddelenie sesterských chromatíd, čo vedie k vzniku štyroch geneticky odlišných haploidných buniek. Každá haploidná bunka vytvorená počas meiózy I vstupuje do profázy II, kde chromozómy, stále zložené z dvoch sesterských chromatíd spojených v centromére, začínajú kondenzovať. Chromozómy sa vyrovnávajú na rovníkovej úrovni každej bunky, podobne ako v metafáze mitózy. Centroméry sa delia a sesterské chromatídy, ktoré sa teraz považujú za samostatné chromozómy, sú ťahané k protiľahlým pólom bunky. Chromozómy sa dekondenzujú a okolo nich sa môžu znovu vytvoriť jadrové membrány. Nasleduje cytokinéza, ktorá rozdelí každú z dvoch buniek na dve, čím vzniknú štyri haploidné dcéry. Porovnaním meiózy II s mitózou sa odhalia základné podobnosti v oddelení sesterských chromatíd. Rozhodujúci rozdiel však spočíva v genetickej kompozícii a počte chromozómov výsledných buniek: Meióza II prebieha na haploidných bunkách vytvorených v meióze I, čo ďalej zdôrazňuje úlohu meiózy pri vytváraní genetickej diverzity.
Ďalším vývinom týchto buniek vznikajú zrelé gaméty. Proces, ktorým vznikajú spermie (spermatozoidy) sa označuje ako spermatogenéza, proces vzniku vajíčok je oogenéza. V rastlinných objektoch proces vzniku štyroch haploidných buniek nazývame tetradogenéza (vznikajú tak napr. peľové zrná). Meiózou je umožnená fixácia druhovej stálosti počtu chromozómov po splývaní samčej a samičej pohlavnej bunky. Rekombinácia a náhodný rozchod maternálnych a paternálnych chromozómov zároveň zaisťuje genetickú variabilitu podliehajúcu selekčnému tlaku.
Regulácia Bunkového Cyklu: Kontrola Delenia
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.
Podľa prítomnosti extracelulárnych faktorov a fyziologického stavu môže bunka reagovať rôzne:
- bunkový cyklus - rozdelenie bunky na dve dcérske bunky
- kviescencia - kľudové štádium (G0-fáza), ktoré je reverzibilné a bunka môže opäť po čase vstúpiť do bunkového cyklu
- diferenciácia - procesy vedúce k vzniku funkčne špecializovaných a morfologicky diferencovaných tkanív
- senescencia - bunky sa už z G0-fázy nemôžu vrátiť do bunkového cyklu - terminálna diferenciácia
- apoptóza - programovaná bunková smrť