Celični cikel: Mitoza in Mejoza

Celični cikel prokariontskih celic

  • Binarna cepitev (cepitev): To je proces, s katerim se razmnožujejo prokariontske celice (bakterije). Proces poteka v treh glavnih korakih:

    • 1. Pritrditev na membrano: Bakterijski kromosom se pritrdi na celično membrano na specifičnem mestu.

    • 2. Rast: Celica raste, medtem ko se DNA podvojuje.

    • 3. Konec cikla: Ko je podvojevanje končano in se celica dovolj poveča, se membrana in stena ugrezneta, kar privede do ločitve v dve hčerinski celici.

  • Eksponentna rast števila bakterij: Število bakterij narašča eksponentno, kar pomeni, da se s vsako delitvijo število celic podvoji. Zaporedje naraščanja v enem dnevu:

    • 1→2→4→8→16→32→64→128→256→512→1024→2048→40961 \rightarrow 2 \rightarrow 4 \rightarrow 8 \rightarrow 16 \rightarrow 32 \rightarrow 64 \rightarrow 128 \rightarrow 256 \rightarrow 512 \rightarrow 1024 \rightarrow 2048 \rightarrow 4096

Bakterijski kromosom in podvojevanje DNA

  • Mesto ORI (Origin of replication): To je specifično mesto na bakterijskem kromosomu, kjer se začne proces podvojevanja DNA.

  • Potek podvojevanja pri bakterijah (npr. E. coli):

    • 1. Podvojevanje kromosoma se začne na mestu ORI. Kmalu zatem se ena kopija mesta ORI hitro premakne proti drugemu koncu celice.

    • 2. Podvojevanje se nadaljuje. Vsaka kopija mesta ORI se nahaja na nasprotnem polu celice, medtem ko se celica podaljšuje.

    • 3. Ko se podvojevanje zaključi, začne plazemska membrana rasti navznoter, nanša se nova celična stena.

    • 4. Rezultat sta dve genetsko popolnoma enaki bakterijski celici.

Celični cikel evkariontskih celic

  • Glavni deli cikla:

    • 1. Interfaza: Obdobje med dvema delitvama, kjer celica raste in pripravlja materiale.

    • 2. Mitoza (Faza M): Delitev celičnega jedra.

    • 3. Citokineza: Delitev citoplazme in nastanek dveh celic.

  • Faze celičnega cikla in njihove funkcije:

    • Faza G0G_0 (Mirovanje): Mirujoča faza; celica je izstopila iz cikla in se ne deli. Nekatere celice ostanejo v tem stanju trajno, druge lahko zunaj cikla tudi odmrejo.

    • Interfaza:

      • Faza G1G_1 (Obdobje rasti): Celica raste, poteka intenzivna sinteza novih celičnih struktur in metabolizem. Na koncu te faze je prva kontrolna točka.

      • Faza SS (Sinteza DNA): Poteka podvajanje dednega materiala (DNA). Količina DNA se podvoji.

      • Faza G2G_2 (Priprava na delitev): Celica nadaljuje z rastjo in se pripravlja na mitozo. Na prehodu v fazo M je druga kontrolna točka.

    • Faza M (Celična delitev): Vključuje mitozo in tretjo kontrolno točko, ki preverja pripravljenost na dokončno delitev.

Podrobnosti Interfaze in podvojevanja DNA

  • Dogajanje v jedru: V interfazi se dedni material podvoji. Kromatinske niti se začnejo zvijati oziroma kondenzirati v kromosome. V celicah s centriolom (živalske in nekatere rastlinske celice) se centriol podvoji.

  • Molekularni mehanizem podvojevanja:

    • DNA ima dve komplementarni verigi (3′3' in 5′5').

    • Helikaza: Encim, ki razpira dvojno vijačnico DNA in ustvarja podvojevalne vilice.

    • Primaza: Sintetizira RNA-začetnike (primerje).

    • DNA polimeraza: Dodaja nove nukleotide. Sinteza poteka le v smeri 5′→3′5' \rightarrow 3'.

    • Vodilna veriga (Leading strand): Sintetizira se neprekinjeno.

    • Zaostajajoča veriga (Lagging strand): Sintetizira se v kratkih odsekih, imenovanih Okazakijevi fragmenti.

    • RNA-začetnik: Nujno potreben za začetek delovanja polimeraze.

Mitoza - Delitev jedra

  • Mitoza poteka v štirih fazah:

    • 1. Profaza:

      • Kondenzacija DNA v kromosome se zaključi.

      • Vsak kromosom je sestavljen iz dveh sestrskih kromatid, ki sta združeni s centromero.

      • Centrioli se pomikajo proti poloma in tvorijo mikrotubule delitvenega vretena.

      • Jedrni ovoj razpade na membranske mešičke, jedrce izgine.

      • Kromosomi se s centromero pritrdijo na niti delitvenega vretena.

    • 2. Metafaza:

      • Niti delitvenega vretena povlečejo kromosome v sredino celice.

      • Kromosomi se razporedijo v ekvatorialno ravnino.

      • Kromosomi so v tej fazi najkrajši in najdebelejši, zato so najbolje vidni pod mikroskopom.

      • Vsaka kromatida je obrnjena proti svojemu polu.

    • 3. Anafaza:

      • Sestrski kromatidi se ločita in postaneta samostojna hčerinska kromosoma.

      • S pomočjo transportnih beljakovin kromosomi potujejo proti nasprotnima poloma.

      • Mehanizem vključuje odcepljanje tubulina (katastrofin) in delovanje gibalnih beljakovin.

    • 4. Telofaza:

      • Delitveno vreteno izgine.

      • Okoli kromosomov na polih se začne oblikovati nov jedrni ovoj.

      • Kromosomi se despiralizirajo (razvijejo) nazaj v kromatin.

      • Ponovno se oblikuje jedrce.

Citokineza in pomen celične delitve

  • Citokineza:

    • Živalska celica: Nastane delitvena brazda, ki celico prežame s stiskanjem.

    • Rastlinska celica: Zaradi toge celične stene se v sredini oblikuje celična plošča iz mešičkov, ki postane nova stena.

  • Pomen mitoze:

    • Omogoča rast in obnovo večceličnih organizmov.

    • Je osnova za nespolno razmnoževanje (nastanek klonov).

  • Trajanje celičnega cikla (primeri):

    • Epitelne celice tankega črevesa človeka: 12 ur12\,\text{ur}.

    • Jetrne celice človeka: 1 leto1\,\text{leto}.

    • Kvasovke: 1.5 ure1.5\,\text{ure}.

    • Zgodnje embrionalne celice žabe: 30 minut30\,\text{minut}.

Nadzor celičnega cikla in rak

  • Nadzorne točke: Molekulski mehanizmi preverijo pogoje (npr. prisotnost rastnih hormonov). Če nadzor odpove, pride do nenadzorovane delitve.

  • Tumorji:

    • Benigni tumor: Celice ostanejo povezane v skupku na enem mestu.

    • Maligni tumor (rak): Celice se ločijo od izvornega tumorja in se širijo po telesu preko krvi ali limfe. Te nove tumorje imenujemo zasevki ali metastaze.

  • Zdravljenje: Rakava obolenja zdravijo z motilci celične delitve, ki vplivajo na mikrotubule in gibalne beljakovine.

Mejoza - Nastanek spolnih celic

  • Mejoza zmanjša število kromosomov s parnega (diploidno - 2n2n) na polovično (haploidno - nn). Sestavljena je iz dveh zaporednih delitev (Mejoza I in Mejoza II).

  • Mejoza I (Redukcijska delitev):

    • Profaza I: Daljša kot pri mitozi. Homologni kromosomi se sparjo v tetrade ali bivalente. Poteče prekrižanje (crossing-over), kjer kromatide izmenjajo genski material. Pri ljudeh pride do 22 do 33 prekrižanj na par. Jajčne celice v tej fazi mirujejo več let.

    • Metafaza I: Homologni pari se postavijo v ekvatorialno ravnino vzporedno.

    • Anafaza I: Homologni kromosomi se ločijo in potujejo proti poloma. Nastane haploidno stanje (nn), vendar ima vsak kromosom še dve kromatidi.

    • Telofaza I in Citokineza I: Nastaneta dve haploidni celici.

  • Mejoza II (Ekvacijska delitev): Podobna je mitozi, vendar se deli haploidno število kromosomov.

    • Profaza II: Razpad jedrnega ovoja, tvorba vretena.

    • Metafaza II: Dvokromatidni kromosomi se razporedijo v ravnino.

    • Anafaza II: Sestrski kromatidi se ločita in potujeta na pola.

    • Telofaza II in Citokineza II: Nastanejo 4 genetsko različne haploidne celice.

Gametogeneza in primerjava delitev

  • Spermatogeneza: Celice po mitozah in mejozah ostajajo povezane s citoplazmatskimi mostički do končne diferenciacije v spermije.

  • Oogeneza: Iz ene praspolne celice nastane ena zrela jajčna celica (ovumovum) in tri pólova telieska, ki propadejo. Redukcija: 2n=46,2c=46→n=23,2c=46→n=23,1c=232n = 46, 2c = 46 \rightarrow n = 23, 2c = 46 \rightarrow n = 23, 1c = 23.

  • Ključne razlike (Mitoza vs Mejoza):

    • Mitoza: 2 enaki celici; somatske (telesne) celice; ohranja število kromosomov; podvojitev DNA in ločitev sestrskih kromatid.

    • Mejoza: 4 različne celice; spolno razmnoževanje; prepolovi število kromosomov (2n→n2n \rightarrow n); Crossing-over in ločitev homolognih kromosomov.