Buněčný cyklus a mitóza

Rozmnožování buňky

a) nepohlavní

Nepohlavním rozmnožováním vznikají klony (potomci mají shodnou genetickou informaci jako jejich rodiče).

Prokaryota (bakterie, Archea, sinice) se obvykle rozmnožují nepohlavně (binární dělení), dojde ke zvětšení buňky, replikaci kruhové DNA zipovým způsobem a následnému růstu septa uprostřed buňky, což vede k rozdělení na 2 dceřiné buňky. Kruhové chromozomy jsou uchyceny v plazmatické membráně a oddělí se od sebe kvůli růstu cytoplazmatické membrány.

Může docházet také k pučení – např. kvasinky, žahavci.

Vegetativní rozmnožování je časté u rostlin – rostlina je schopná z části svého těla zregenerovat celý organismus.

Nepohlavní typ rozmnožování se může vyskytnout výjimečně také u člověka (tzv. polyembryonie), kdy v děloze z jednoho oplozeného vajíčka vzniknou tímto procesem jednovaječná dvojčata (tito sourozenci mají shodnou genetickou informaci, jsou navzájem klony).

b) pohlavní

Při pohlavním rozmnožování dochází ke splynutí pohlavních buněk (samčí a samičí gamety) a ke vzniku zygoty s jedinečnou genetickou informací. Následně dojde mitózou a diferenciací buněk ke vzniku mnohobuněčného organismu.

 

Buněčné dělení Eukaryot

Při běžném dělení somatických buněk dochází k mitóze, pohlavní buňky (vajíčka, spermie) vznikají meiózou.

Nejdříve dochází ke karyokinezi (rozdělení jádra) a poté dojde většinou k cytokinezi (rozdělení celé buňky). V některých případech po karyokinezi nenásleduje cytokineze a vznikají tak mnohojaderné útvary (syncitium, např. příčně pruhovaná svalovina).

 

Typy karyokineze

  • mitóza – (neredukční dělení) probíhá u somatických buněk, dceřiná buňka má stejný počet chromozomů jako mateřská
  • meióza – (redukční dělení) probíhá při vzniku gamet (vajíček, spermií), dceřiná buňka má poloviční počet chromozomů než mateřská
  • amitóza – méně častý způsob dělení (pouze degenerované nebo nádorové buňky), při kterém dochází k přímému rozdělení buňky bez vytváření chromozomů a dělicího vřeténka, genetická informace je rozdělena do dceřiných buněk nerovnoměrně

 

Buněčný cyklus

Buněčný cyklus je sled dějů, který vede k rozdělení buňky pomocí mitózy (nebo meiózy). Obvykle trvá přibližně 24 hodin, ale u některých typů buněk může trvat i několik měsíců. Některé buňky mohou po mitóze přejít do tzv. G0 fáze (klidová fáze), kdy se nedělí, ale jsou schopny po určité době znovu vstoupit do buněčného cyklu a znovu se rozdělit.

Buněčný cyklus shrnuje následující video:

 

Fáze buněčného cyklu:

  • G1
  • S
  • G2
  • M (mitóza)

Interfáze

= G1 + S + G2 fáze

Interfáze je část buněčného cyklu, při kterém nedochází k dělení buňky. V tomto období v buňce nemůžeme pozorovat chromozomy, chromatin je ,,rozpleten“. Buňka se v tomto období připravuje na buněčné dělení.

G1 fáze

  • postmitotická, presyntetická fáze
  • trvá přibližně 1/3 doby buněčného cyklu
  • dochází k růstu buňky, probíhá intenzivní metabolismus, opravuje se poškozená DNA
  • dotvoření organel
  • hlavní kontrolní bod buněčného cyklu

G1 fáze následuje po mitóze (proto postmitotická) a předchází syntéze DNA (proto presyntetická). V této fázi buňka intenzivně roste a metabolizuje, tvoří organely, dochází také k opravám DNA pomocí reparačních mechanismů. Na konci této fáze, před přechodem do S fáze, je hlavní kontrolní bod buněčného cyklu (kontrola integrity DNA) – pokud buňka neprojde tímto kontrolním bodem, je spuštěna apoptóza (programovaná smrt buňky).

V této fázi má chromozom pouze jednu chromatidu!

V případě, že buňka absolvovala určitý počet dělení (buněčných cyklů), vstupuje do tzv. G0-fáze (klidová fáze), kde může setrvat až do konce života nebo se může po určité době znovu vrátit do buněčného cyklu a obnovit buněčné dělení.

 

S fáze

  • syntetická fáze
  • dochází k replikaci DNA a vzniku druhé chromatidy chromozomu
  • trvá přibližně 1/3 doby buněčného cyklu

V S-fázi dochází k replikaci DNA – z původně jedné chromatidy vzniká nyní i druhá chromatida (na obou je shodná genetická informace). Dochází tak k vytvoření dvouchromatidového chromozomu, kdy obě chromatidy jsou spojeny centromerou.

 

G2 fáze

  • premitotická, postsyntetická fáze
  • trvá přibližně 1/4 doby buněčného cyklu
  • příprava na mitózu
  • další růst buňky a syntéza specifických proteinů
  • zdvojení centrozomu

Při G2-fázi se buňka připravuje na jaderné dělení. Probíhá syntéza specifických proteinů, buňka dále roste, jsou zde reparační mechanismy pro opravu některých mutací, dojde také k duplikaci centrozomu, který je nezbytný pro rozdělení jádra. Nachází se zde druhý (méně významný) kontrolní bod.

 

M fáze = mitóza

  • nejkratší trvání ze všech fází
  • rovnoměrné rozdělení genetické informace a celého jádra

M-fáze (mitóza) je nejkratší částí celého buněčného cyklu, dochází při ní k rozdělení jádra (karyokinezi) – tím dojde k rovnoměrnému rozdělení genetické informace v něm obsažené. Skládá se ze 4 fází (profáze, metafáze, anafáze, telofáze). Nachází se zde poslední kontrolní bod buněčného cyklu, dochází ke kontrole správného připojení dělicího vřeténka na chromozomy.

Souhrnný obrázek pro buněčný cyklus (pro zvětšení klikněte na obrázek pravým tlačítkem myši a zvolte Otevřít obrázek na nové kartě)

Mitóza

Mitózu shrnuje následující video:

Fáze mitózy:

  • profáze
  • metafáze
  • anafáze
  • telofáze
  1. Profáze

    Při profázi dochází k rozpadu jaderné membrány, jadérko mizí. Chromozomy lze pozorovat jako tenké nitkovité útvary, které se postupně zkracují a ztlušťují. Dochází ke vzniku dělicího (mitotického) vřeténka, které je tvořeno mikrotubuly – ty vyrůstají z centrozomu a na konci profáze se připojují na centromeru chromozomu (pomocí proteinového komplexu zvaného kinetochor).

  2. Metafáze

    V metafázi mitózy můžeme pozorovat chromozomy uspořádané do ekvatoriální (středové) roviny buňky. V této fázi jsou dělicí vřeténka již připojena na centromery chromozomů, centrozomy se nacházejí na opačných pólech buňky. Chromozomy jsou nyní nejvíce kondenzované (spiralizované) a můžeme je dobře pozorovat i v optickém mikroskopu. Toho se často využívá u cytogenetických studií, kdy chceme stanovit karyotyp pacienta.

  3. Anafáze

    Při anafázi mitózy dochází ke zkracování dělicího vřeténka a zároveň k rozdělení centromery (centromera drží dvě sesterské chromatidy pohromadě) a chromatidy putují k opačným pólům buňky. Vznikají tak dva jednochromatidové chromozomy – každý z nich putuje do jedné dceřiné buňky. Sesterské chromatidy mají shodnou genetickou informaci – obě dceřiné buňky budou mít tedy také shodnou genetickou informaci.

  4. Telofáze

    Telofáze je poslední částí jaderného dělení. Dochází k seskupení chromozomů u opačných pólů buněk a k jejich postupné despiralizaci (chromozomy se prodlužují a stávají se opět nerozeznatelnými). Obnovuje se jaderná membrána a jadérko, dělicí vřeténko zaniká. Ihned po dokončení karyokineze následuje cytokineze – rozdělení buňky (u některých buněk cytokineze neproběhne a vznikají vícejaderné buňky).

Souhrnný obrázek pro mitózu (pro zvětšení klikněte na obrázek pravým tlačítkem myši a zvolte Otevřít obrázek na nové kartě)

Cytokineze

Cytokineze neboli rozdělení buňky následuje u většiny buněk ihned po mitóze.

Po rozdělení jádra (karyokinezi) následuje rozdělení mateřské buňky na 2 dceřiné se shodnou genetickou informací.

  • U rostlinných buněk vzniká přepážka (fragmoplast) tvořená mikrotubuly, která vzniká ve středu buňky a postupně se rozrůstá k okrajům.
  • U živočišných buněk vzniká kontraktilní prstenec (tvořen mikrofilamenty), který vzniká na okraji buňky a postupným zužováním buňku zcela rozdělí.

Výsledkem buněčného dělení (karyokineze + cytokineze) jsou 2 dceřiné buňky s diploidním počtem chromozomů – ale tyto chromozomy mají pouze 1 chromatidu (druhá, sesterská chromatida se dotvoří v S-fázi buněčného cyklu).

Souhrnný obrázek pro cytokinezi (pro zvětšení klikněte na obrázek pravým tlačítkem myši a zvolte Otevřít obrázek na nové kartě)

Mitotický aparát – co je potřeba pro proběhnutí mitózy?

  • centrozom – nemembránová organela, organizační centrum mikrotubulů
    • složen ze 2 centriol (a ty jsou z mikrotubulů)
    • zdvojuje se před mitózou (G2)
  • mitotické (dělicí) vřeténko – váže se na jedné straně na centrozom a na druhé straně na  centromeru chromozomu
    • vzniká v profázi mitózy
    • zaniká v telofázi mitózy
  • kinetochor – komplex bílkovin v blízkosti centromery (na chromozomu), který umožňuje navázání dělicího vřeténka

Buněčný cyklus a mitóza – počet chromozomů

Pro přijímací zkoušky je velmi důležité uvědomit si počet chromozomů a chromatid v průběhu buněčného cyklu. Při mitóze NEDOCHÁZÍ ke změně počtu chromozomů, po celou dobu buněčného cyklu je buňka diploidní (2n) a obsahuje 46 chromozomů.

Mění se pouze počet chromatid – mateřská buňka před mitózou (v G2 fázi) obsahuje 92 chromatid – každý chromozom má tedy 2 chromatidy.

Při mitóze dochází k oddělení sesterských chromatid od sebe a dceřiné buňky po mitóze (v G1 fázi) obsahují pouze 46 chromatid – každý chromozom má jen 1 chromatidu.

Poté následuje S fáze, kdy dojde k dotvoření sesterské chromatidy a buňka se dostává do G2 fáze a obsahuje znovu 92 chromatid.

Generační doba

= doba trvání buněčného cyklu

  • liší se u jednotlivých typů buněk
  • u velké části buněk trvá generační doba 24 hodin, může ale trvat i několik měsíců

Kontrola buněčného cyklu

Průběh buněčného cyklu je velmi přísně regulován (poruchy mohou vést k nádorovému bujení). Kontrolní systém zajišťuje dokončení jednotlivých kroků buněčného cyklu a až poté umožní buňce přejít do další fáze cyklu.

Posloupnost jednotlivých dějů je spouštěna pomocí různých enzymů.

Regulační systém – molekulární brzdy = zastavení buněčného cyklu při poškození buňky v tzv. kontrolních bodech – G1, G2, M

  • kontrolní bod v G1 fázi (hlavní kontrolní bod) – při nepříznivých podmínkách pro buňku nebo poškození DNA, které nelze opravit, dochází k zastavení buněčného cyklu
  • kontrolní bod v G2 fázi – kontrola replikace DNA – při poškození DNA zastavení buněčného cyklu
  • kontrolní bod v M fázi – kontrola správného připevnění chromozomů k mitotickému vřeténku

Regulace buněčného cyklu je založena na cyklické aktivitě cyklin-dependentních kináz (CdK). Tyto proteinkinasy katalyzují fosforylaci proteinů, které následně změní konformaci a svou aktivitu. CdK tvoří komplexy s proteiny cykliny (v každé fázi cyklu vznikají typické komplexy CdK – cyklin).