Cell divízió - mitózis
Ha a sejtosztódás után mikroszkóp alatt észlelted, az alábbiakat láthatja. Először is a magban lévő anyag nagyon sűrűvé válik. Még diszkrét struktúrákat is felismerhetsz - kromoszómákat. Tudod, hogy szomatikus (nem szexuális) emberi sejtekben 23 pár kromoszóma van - egy kromoszóma minden egyes párból minden párból. Az emberi szomatikus sejtekben összesen 46 kromoszóma van. Mind a 46 a sejt egyenlítői síkjában helyezkedik el. Ebben a szakaszban világos, hogy mind a 46 kromoszóma ténylegesen két kromatidból áll, amelyek egymáshoz kapcsolódnak egy gombhoz hasonló régióban. Ezt a területet centromérnek hívták. A cella másik vége két sűrű folt (centriol), amelyek mindegyike a hasadótest filamentuma. Minden egyes vonal csatlakozik a kromoszómához a centromér régióban. Minden pár kromoszómához két szál van összekötve - egy minden egyes centriolból. Aztán látni fogjuk, hogy a centriolák, mint a tekercsek, felszeletelik a hasadótestet, aminek következtében a kromoszómák a sejt pólusainál eltérnek. Ezután a cellatartalom megoszlik. Ez csodálatos látvány.
Az események a következő forgatókönyv szerint alakulnak. Meg kell érteni, hogy egy nagyon fontos feladatot kell megoldani a sejtek felosztására - a DNS-t (DNS-replikáció) duplikálni kell (a DNS kódolja az összes információt arról, hogy mi és hogyan kell a sejtben megtörténni. Ne feledje, hogy a DNS kettős hélix. A spirálon kívül egy cukor-foszfát gerinc, amelyben a cukrok foszforsavmaradékon keresztül kovalens kötéssel kapcsolódnak. A spirálon belül vannak szerves nitrogénbázisok, amelyeket párosítva hidrogénkötések kapcsolnak össze. Az egyik kromoszómában tárolt információ másolásának érzéke, és az információ átadása egy új cellába változtatás nélkül nagyon egyszerű: meg kell oldani a kettős DNS-hélixet, és meg kell szakítani a nitrogénbázisok párjait tartalmazó hidrogénkötéseket. Ettől a pillanattól két egylánc jelenik meg, amelyek nitrogénbázisúak a cukor-foszfát gerincből. Emlékezzünk vissza, hogy az egyik DNS-szál mindegyik nitrogéntartalma mindig egy másik DNS-szál jól definiált bázisával kötéseket köt. Tehát az adenin csak a timinhoz kötődik, és a guanin - csak citozinnel. Ez a nitrogéntartalom komplementaritásának elve. Emlékezzünk arra is, hogy a nukleotidok szerves bázisból és foszforilezett cukrokból álló molekulák. Elméletileg, ha a szükséges nukleotidok jelen vannak a nukleoplazmában, minden egyes DNS-szál nitrogén-bázisa kiválaszt egy megfelelő párt önmagára. Van egy specifikus és nagyon fontos enzim, DNS polimeráz, amely lehetővé teszi ezt a reakciót. Az újonnan alakult lány DNS lánc cukorai foszfo-diészter kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz, ami cukor-foszfát gerinc kialakulását eredményezi - és most ez megtörtént! Két azonos kromoszómája van, ahol csak egy volt (2.7. Ábra). Természetesen a sejt DNS-molekulájának replikációjának folyamata sokkal bonyolultabb, és számos enzim működésétől függ, de erről az alábbiakban beszélünk.
Ábra. 2.7. DNS duplázási folyamat
És most nézzük közelebb a sejtosztódás folyamatát. Kezdetben a kromoszómák párjai a sejtmagban helyezkednek el despirálódott állapotban, és mikroszkóppal megkülönböztethetetlenek. Ezek a sejtek interfázisban vannak. Ezekben a kromatin néven ismert genetikai anyag egy kusza tömeg, és nem olyan kompakt, mint amikor a kromoszómák mikroszkóp alatt megkülönböztethetők. A kromátin azért kapta a nevét, mert sötét színű, speciális színes festékkel festett. Ez sokáig történt, mielőtt az emberek megtudták az igazi funkcióját. Amint már említettük, az emberi szomatikus sejtek 23 pár kromoszómával rendelkeznek. Huszonkét pár az úgynevezett autoszomális kromoszómák, ugyanez a férfiak és nők esetében. A huszonharmadik párt nemi kromoszómák képviselik, amelyek férfiak és nők között különböznek. A nőknek két nagy kromoszóma van, az úgynevezett X-kromoszómák, és a férfiak egy nagy X-kromoszómával és egy kis Y-kromoszómával rendelkeznek. Egy pár kromoszómájában ugyanaz a szerkezet. Azonban a különböző szülőkből származó kromoszómák különböző információkat hordoznak, és ebben az értelemben a kromoszóp párok nem azonosak.
A mitózis a 2. ábrán látható. 2.8., - az eukarióta sejtek elosztásának univerzális módja. A mitózis négy alapvető különbözõ fázisból áll: profázis, metafázis, anafázis, telophase. Amikor a sejt elkezd megosztani, az egyes kromoszómák genetikai anyaga már megduplázódott. Korábbi szakaszában a kromoszómák száma 46-nak felel meg, de minden kromoszóma kettős, vagyis két nővér-kromatidból áll.
A genetikai anyag megduplálásának megkezdéséhez a sejtnek megoldania kell a DNS hélix csavarásának nehéz feladatát. Legtöbbünk úgy gondolja, hogy a kromoszóma nem olyan hosszú, mert így láttuk őket az összes rajzban. Valójában egy interfázis cellában a DNS-molekula szuper spirális állapotban van, vagyis nagyon szorosan és bizonyos sorrendben csavarodik. Indikatív az a tény, hogy ha egy DNS-molekula egy sejten belül egy megszakítás nélküli állapotban van, annak hossza körülbelül 1 m lenne! Csak képzeljük el, milyen bonyolult és rendezett az ilyen nagy mennyiségű genetikai anyag csomagolása egy mikroszkopikus cella belsejében. Ezért világossá válik, hogy az eukarióta sejtekben a DNS-molekula kettős hélixét egy kompakt struktúrába csomagolják, amelyet a különböző hisztonokkal rendelkező fehérjékkel való kölcsönhatás során alakítottak ki. Így a kromoszómális fehérjék egy gigantikus molekulát csomagolnak magukba, csak néhány köbméter térfogattal (2.9. Ábra).
Közvetlenül a replikációs folyamat megkezdése előtt a DNS-molekula megkerülhetetlen az enzim helikázzal. Ezután a hidrogénkötések megszakadnak, a láncok eltérnek, és a lányláncok a komplementaritás elvén alapulnak.
A sejtosztódás szigorúan ellenőrzött. Vannak olyan sejtek, amelyek gyakran oszlanak el. Ezek közé tartoznak a csontvelő sejtek. Más sejtek, például csontsejtek, elsősorban a szerv aktív növekedése vagy károsodása között oszlanak meg. Végül vannak olyan sejtek, amelyek nagyon ritkán oszlanak el, vagy egyáltalán nem oszlanak el. Ebbe a típusba az érett idegsejtek. Az ellenőrizetlen osztódás és a sejtnövekedés a rákos degeneráció jele. A sejtosztódás folyamatához szabályozók szükségesek, amelyeket aktivációs faktoroknak neveznek. Ilyen tényezők például a növekedési faktorok. A növekedési faktorok vizsgálata az egyik leggyorsabban fejlődő terület a modern biológia és gyógyászat kereszteződésében. Jelenleg számos tényezőt kiemelnek és részben jellemeznek.
Az aktiválási tényezők általában a DNS alakjának megváltoztatásával és a DNS-replikációért felelős DNS-polimeráz révén lehetővé teszik a kapcsolatot. A DNS polimeráz először egy specifikus helyet talál a DNS-molekulában. Ez a régió, amelyik hurok megjelenése szükséges, a DNS polimeráz DNS-hez való kötéséhez szükséges. Ez pedig az aktivációs faktor DNS-hez való kötődésével jön létre. A DNS-molekula azon része, ahol a DNS-polimeráz kapcsolódik, és a replikációs folyamat elkezdődik, a replikáció eredete. Azt is tudni kell, hogy a DNS szintézis megkezdéséhez rövid RNS szekvenciákra van szükség, amelyek a "primerek" funkcióit hajtják végre. A DNS-molekula érintkezésével a DNS-polimeráz az anya láncon keresztül mozog, kiegészítve a lányláncot a komplementaritás elvével.
Ábra. 2.9. A DNS a hisztonok körül csavart, majd a kromoszómába hajtódik
A DNS polimeráz egyik legfontosabb funkciója az újonnan szintetizált DNS lánc hibáinak korrekciója. Ha a rossz bázispárt felismeri, a DNS polimerázt egy lépéssel hátra visszük vissza, a rossz bázist eltávolítjuk a lányláncból, és a helyes beillesztjük. Ennek eredményeként a DNS-replikáció hibáinak száma körülbelül 10-100 milliárd bázispár. Mivel azonban a sejtek gyakran osztódnak el, a hibák elkerülhetetlenül felhalmozódnak. Sok ilyen hiba befolyásolja a sejtek életképességét. Ha a sejtek, amelyekben a mutáció még mindig fennmaradt, az immunrendszer elpusztítja őket speciális célzott sejtek segítségével.
Most térjünk vissza a sejtosztódás folyamatához. A mitózis előfázisában a kromoszómák két kromatidből állnak, ami az interphase DNS-replikációjának eredménye. Azonban nem lehet mikroszkóp alatt felvenni, mivel a nővérkromatidok a profázisban szoros kapcsolatban vannak egymással, kölcsönösen egymásba spirálva. A prometafázisban a nukleáris membrán megsemmisül, és a kromoszómák a sejt egyenlítői síkjához költöznek. Ez a folyamat biztosítja a kromoszómák normál divergenciáját a sejtek pólusainál a sejtosztódás során, aminek következtében egy teljes kromoszómakészlet jut be az újonnan kialakult sejtekbe. Az egyik kromoszóma nővér kromatidjei egymáshoz kapcsolódnak a centromér néven ismert pontban. A centromér régióban egy kinolekor található, komplex fehérje szerkezet, amely a centromerikus hely DNS-éhez kapcsolódik. Ebbe a zónába, a mitózis idején a hasadótengely szálak csatlakoznak. Amint azt már láttuk, centriolok találhatók a cella pólusain, amelynek száma is megduplázódik a cella elosztása előtt. A centriolok részt vesznek az izzószálak kialakításában. Minden orsószál a kinetochore-területen egy kromoszómához van kötve. A mitózis, metafázis második fázisában a két kromatidokból álló kromoszómák a sejt egyenlítői síkjában helyezkednek el.
A szétválasztó orsó menete elveszi a kromoszómákat, amelyeket mostantól a leánykromoszómáktól hívnak, a cella másik vége felé. A fázis, amely alatt a kromoszómák különböző irányokban mozognak, az anafázisnak nevezik. Ha minden megy a terv szerint, akkor a centriol el van osztva, és a testvérkromatidek a cella pólusaira oszlanak. Ha a kromoszómák nem megfelelő sorrendben helyezkednek el a sejt egyenlítői síkjában, akkor a sejtosztódás folyamata megszakadhat.
Miután a kromoszómák szétszórtak az alapsejtek ellentétes végeire, a sejtet citokinézis eredményeként két részre osztották. A mitózis negyedik és utolsó szakaszát telophase-nak nevezik. A mitózissal reprodukáló sejteket, amint már említettük, szomatikusnak nevezik. Ezek közé tartoznak a test összes sejtjei, kivéve azokat a sejteket, amelyek később spermiumok vagy tojásokká váltak. Az új szervezet kialakulásához hozzájáruló sejteket szexuális sejteknek nevezik. A nemi sejtek a meiózis következtében alakulnak ki, amelyet a következő szakaszban fogunk megvizsgálni.
A mitózis rendszerint késedelem nélkül halad. Az emberi testben azonban bármikor több millió sejtosztódás fordulhat elő. Időről időre túl sok genetikai anyag jelenik meg a sejtekben, míg másokban a normálisnál kisebb lehet. Jellemzően az ilyen sejtek nem élnek túl vagy az immunrendszer eltávolítja őket.