MITOZA
Szacuje się, że ciało dorosłego człowieka zbudowane jest z 10 do 14 komórek. Rozwój rozpoczyna się od połączenia ze sobą dwóch komórek rozrodczych, zwanych gametami: jaja i plemnika. Łącząc się tworzą one pojedynczą komórkę, czyli zapłodnione jajo lub zygotę.
Zygota przechodzi przez wiele podziałów, zanim organizm osiągnie normalną wielkość.
Wszystkie komórki dorosłego człowieka, z wyjątkiem komórek rozrodczych, są wynikiem podziałów mitotycznych. Komórki potomne, powstałe w trakcie mitozy, posiadają taki sam materiał dziedziczny (DNA) , ponieważ jest on zawarty w chromosomach.
Proces mitozy związany jest z wielkością komórki; może ona rosnąć tylko do pewnych rozmiarów, po czym się dzieli. Bez podziału dalszy wzrost nie mógłby nastąpić.
Wynika z tego, że podział komórki jest podstawowym mechanizmem wzrostu organizmu komórkowego. Podział jest także niezbędny dla wymiany komórek organizmu w czasie regeneracji czy gojenia się ran i ubytków tkanki. U form jednokomórkowych, jak to zostanie opisane w następnych rozdziałach, w wyniku mitozy powstają nowe osobniki.
Zrozumienie procesu mitozy jest również niezbędne w badaniach nad dziedziczeniem
Przebieg mitozy zostanie szczegółowo opisany już w tym miejscu, ponieważ stanowi on podstawowy mechanizm rozrodu, rozwoju i wzrostu, a więc procesów rozważnych w następnych rozdziałach
Zapłodnione jajo oraz powstałe z jego podziałów wszystkie komórki ciała (z wyjątkiem plemników plemników i komórek jajowych) mają normalnie taką samą liczbę chromosomów.
Jest ona cechą charakterystyczną każdego gatunku. Liczba ta u poszczególnych gatunków waha się od dwu do kilkuset. I tak liczba diploidalna człowieka wynosi, jak wspomniano powyżej, 46, muszki owocowej 8, myszy domowej 40, konia 66, cebuli 16, motylka hiszpańskiego 380. Parzystość chromosomów w komórkach ciała, zwanych KOMÓRKAMI SOMATYCZNYMI, wynika z rozrodu płciowego. Spośród każdej pary chromosomów zygoty jeden pochodzi z komórki jajowej, a drugi z plemnika.
Z wyjątkiem pary chromosomów związanych z płcią u większości zwierząt, chromosomy należące do jednej pary są zwykle identyczne pod względem wielkości i kształtu, natomiast chromosomy należące do odmiennych par różnią się od siebie u większości gatunków.
Chromosomy jednej pary noszą nazwę CHROMOSOMÓW HOMOLOGICZNYCH.
Chromosomy wykazują wiec cechy indywidualne, co pozwala odróżnić je od siebie podczas podziału zwłaszcza w czasie metafazy.
Zmiany zachodzące w czasie mitozy mają charakter ciągły, jednak analizując ten proces dzieli się go zwykle na stadia. Stadium występujące między podziałami znane jest jako interfaza, natomiast w procesie podziału wyróżnia się profazę, metafazę, anafazę i telofazę.
Jakkolwiek podział można śledzić na żywych komórkach przy pomocy mikroskopu polaryzacyjnego lub kontrastowo - fazowego, jednak najczęściej badanie takie prowadzi się na komórkach zabitych i wybarwionych. Każda komórka jest wtedy jakby pojedyńczą klatką ruchomego filmu. Przebieg mitozy w typowej komórce zwierzęcej przedstawia się następująco.
INTERFAZA
Stadium nie jest w prawdzie częścią podziału, jednak jest ona bardzo ważnym etapem w cyklu życiowym komórki. W stadium tym nie można dostrzec pojedynczych chromosomów.
Każdy z nich jest w takim okresie bardzo wydłużony, wskutek czego materiał chromatywny, po wybarwieniu, wydaje się rozproszony w jądrze. Istnieją jednak doświadczalne dowody, że chromosomy zachowują swą indywidualność także w okresie miedzypodziałowym.
Wiadomo także, że właśnie w czasie interfazy zachodzi replikacja chromosomów.
Wynika stąd oczywiście, że synteza DNA i białek (a więc składników chromosomów) zachodzi również w tym okresie. W interfazie wyróżniają się trzy fazy.
1) faza G1 (od słowa angielskiego”gap” czyli przerwa) jest okresem poprzedzającym syntezę DNA.
2) faza S (synteza ) , w czasie której odbywa się synteza DNA.
3) faza G2, która rozpoczyna się po okresie syntezy i trwa aż do profazy.
Istnieją także dowody, że synteza białek, które utworzą wrzeciona podziałowe, również zachodzi w interfazie. Biorąc to wszystko pod uwagę można powiedzieć, że mitoza polega na uporządkowanym i równomiernym rozdziale, już uprzednio powielonych chromosomów, między powstające komórki potomne. W jądrze interfazowym oprócz wybarwionej chromatyny często dobrze widoczne są również jąderka.
PROFAZA
Pierwszą widoczną zmianą oznaczającą początek profazy jest ujawnienie się chromosomów chromosomów w postaci długich, dobrze widocznych nici. Pojawienie się ich jest spowodowane skróceniem się i zgrubieniem struktur chromatynowych występujących w interfazie;zmiany te wywołane są utratą wody z chromosomów oraz skurczeniem się budujących je elementów. Chromosomy w profanie są strukturami podwójnymi, z wyjątkiem CETROMERU czyli KINETOCHRU, który będzie punktem przyczepu włókien wrzeciona.
Dwie części składowe każdego podwójnego chromosomu zwane są CHROMATYDAMI;nazwą tą określa się je aż do momentu podziału centromeru, co następuje na początku anafazy.
Ruchy chromosomów pozostają w związku z włóknami wrzeciona. Układ tych ostatnich może być różny: niektóre z nich mają jeden koniec przyczepiony do centromeru w chromosomie, podczas gdy drugi kończy się w okolicy CENTROLI, małej struktury leżącej na biegunie wrzeciona ;inne włókna rozciągają się od jednego bieguna do drugiego, nie łącząc się z chromosomami. Centriole powstają też na zewnątrz jądra. Każda z nich stanowi układ dziewięciu grup cewek których struktura jest podobna do ciałek podstawowych, znajdujących się u nasady rzęsek i witek.
Na początku profazy występuje para centriol w pobliżu błony jądrowej. Każda z centriol dzieli się ;powstają w ten sposób dwie pary, które wędrują w przeciwnych kierunkach. Dzieje się to jednocześnie z zanikiem błony jądrowej. Każda z par zajmuje pozycję na jednym z biegunów komórki. Wymiary centriol leżą zagranicy zdolności rozdzielczej mikroskopu świetlnego ;dlatego wyglądają one w takim mikroskopie jak bardzo małe punkciki, a w niektórych przypadkach nie są wcale widoczne.
W czasie, kiedy Centriole wędrują ku biegunom, wokół każdej z nich wyróżnicowują się promieniście ułożone włókienka, tworząc strukturę zwaną gwiazdą. Pomiędzy dwiema gwiazdami pojawiają się włókna wrzeciona. System utworzone przez Centriole, gwiazdy i wrzeciono stanowi aparat mitotyczny, który związany jest bezpośrednio z procesem podziału.
METAFAZA
Stadium metafazy rozpoczyna się z chwilą, kiedy chromosomy układają się w płytce równikowej na wrzecionie. Włókna wrzeciona, rozciągające się od każdego bieguna, przyczepiają się do centromerów poszczególnych chromosomów.
Równoczesny podział centromerów we wszystkich chromosomach oznacza koniec metafazy.
ANAFAZA
Stadium anafazy rozpoczyna się wraz z podziałem centromerów, chromatydy rozdzielają się i wędrują do przeciwległych biegunów. Ruch ten nie jest dostatecznie wyjaśniony.
Wydaje się, że chromosomy są ciągnięte przez włókna wrzeciona. Centromery mogą być umieszczone w różnych punktach chromosomu ;w niektórych lezą w środku, w innych blisko jednego końca, lub też na samym końcu chromosomu. W zależności od położenia centromeru, wędrujące ku biegunom chromosomy przyjmują wygląd litery V, I lub też mają kształt pałeczki, Na podstawie tego obrazu wielu biologów przyjmuje, że chromosomy są pociągane przez skurcz włókien wrzeciona.
Jakkolwiek wiele jeszcze elementów ruchu chromosomów pozostaje do wyjaśnienia, można stwierdzić że, zarówno centromery, jak i włókna wrzeciona odgrywają tu zasadniczą rolę.
TELOFAZA
Ta faza mitozy wygląda inaczej w większości komórek roślinnych niż w komórkach zwierzęcych. Zachowanie się chromosomów potomnych jest zasadniczo takie samo: zbliżają się one do biegunów, staja się mniej zwarte, a jednocześnie tworzy się błona jądrowa i pojawiają się jąderka. U zwierząt, w czasie gdy chromosomy potomne zbliżają się do biegunów, w części równikowej powierzchni komórki pojawia się bruzda, która rozdziela od siebie obie powstające komórki.
U roślin podział jądra odbywa się zasadniczo podobnie jak w komórkach zwierzęcych jednakże u większości organizmów roślinnych nie występują Centriole ani gwiazdy, a cytokineza nie przebiega jednocześnie z mitozą. w czasie telofazy, kiedy zaczynają się tworzyć błony jądrowe w środku równika wrzeciona pojawiają się małe pęcherzyki.
Łączą się one natychmiast ze sobą i rozciągają w kierunku ścian komórki. Powstaje w ten sposób tzn. przegroda pierwotna, która ulega impregnacji, rozdzielając od siebie obie komórki potomne.
Zarówno u roślin jak i u zwierząt, w czasie późnej telofazy zanikają włókna wrzeciona.
U zwierząt centriola zajmuje położenie tuż obok jądra, podwaja się, ale nie bierze udziału w funkcjach życiowych komórki aż do następnego podziału. Każda z komorek potomnych znajduje się teraz w interfazie. Po odpowiednio długim okresie G wejdzie ona w fazę S, czyli fazę replikacji chromosomów.
CZAS TRWANIA PODZIAŁU KOMÓRKI
Czas potrzebny dla dokonania mitozy jest różny, zależnie od typu komórki, i wykazuje związek z długością fazy G1. Temperatura, w pewnych granicach, również wpływa na czas trwania podziału. W sprzyjających warunkach temperatury i w optymalnej pożywce komórki bakteryjne mogą się dzielić co 15 do 20 minut. Dla niektórych komórek ssaków w hodowli tkankowej czas od początku profazy do końca telofazy wynosi około 1 godziny pewnych komórkach trzykrotki proces ten trwa 30 minut w 45 stopniach C, a 75 minut w 25 st C.
Ogólnie można powiedzieć, że stadia metafazy i anafazy są krótkie; większość czasu potrzebnego na podział zajmuje stadium profazy i telofazy.
ZNACZENIE PODZIAŁU KOMÓRKI
Mitoza jest uniwersalnym mechanizmem związanym z rozmnażaniem się komórki.
W wyniku tego procesu powstają dwie komórki, z których każda jest o połowę mniejsza od wyjściowej, lecz zawiera taki sam komplet chromosomów. Jest to niezbędne dla procesu wzrostu. Pomiędzy okresami podziałowymi komórka rośnie przez asymilację materiałów pokarmowych z zewnątrz, z których syntetyzuje nowe składniki organizmu. Dla normalnego funkcjonowania, komórki muszą zawierać stałe zestawy chromosomów, charakterystyczne dla gatunku.
W procesie wymiany komórek w czasie wzrostu gojenia się ran i regeneracji, nowe komórki powstają przez podział. Podziały te zachodzą także u organizmów dorosłych, jakkolwiek wiele komórek wysoko wyspecjalizowanych w czasie różnicowania się utraciło zdolności do podziału. Częste podziały zachodzą w ciągu całego życia np: w tkankach krwiotwórczych, komórkach nabłonkowych skóry i przewodu pokarmowego oraz tkankach rozrodczych jajnika i jądra. Inne komórki, np. nerwowe, skoro raz zostaną zróżnicowane, mogą się już więcej nie dzielić.
Proces mitozy jest także ważny z innego punktu widzenia. U podstaw wszystkich badań biologicznych leży koncepcja ewolucji organizmów. Zakłada ona z jednej strony występowanie pokrewieństwa wynikającego ze wspólnego pochodzenia organizmów, a drugiej strony istnienie różnic wynikłych na skutek modyfikacji. Komórka jest podstawową jednostką organizmu, a fakt, że proces jej podziału przebiega zasadniczo jednakowo u wszystkich żywych organizmów, stanowi właśnie potężny argument przemawiający za wspólnym pochodzeniem wszystkich istot żywych!
Słowniczek terminów
Centromer - miejsce przyczepienia włókna chromosomowego wrzeciona podziałowego w profaznie mitozy.
Chromosomy homologiczne - chromosomy identyczne pod względem struktury.
Chromatydy - podwojone pasma chromosomu.
Centriola - mała struktura leżąca na biegunie wrzeciona
Wrzeciono podziałowe - strukura złożona z włókienek skupiających się na dwu biegunach komórki pojawiająca się w profanie podziału komórkowego.
Chromatyna - substancja chromosomu w jądrze łatwo barwiąca się zawierająca DNA, RNA i białka.
Gwiazda - struktura utworzona przez Centriole oraz promieniście ułożone wokół nich włókienka (promienie gwiazdy).