Митоза: клетъчно делене, репликация на ДНК и разделяне на ядра
Митозата е част от цикъла на клетъчно делене. Хромозомите на клетката се копират, за да се получат два идентични комплекта хромозоми, а клетъчното ядро се разделя на две идентични ядра. Това разделяне гарантира, че всяка дъщерна клетка получава пълен набор генетична информация.
Преди митозата клетката създава идентичен набор от собствената си генетична информация - това се нарича репликация. Генетичната информация се намира в ДНК на хромозомите. В началото на митозата хромозомите се навиват и стават видими със светлинен микроскоп. Хромозомите вече са две хроматиди, съединени в центромера. Тъй като двете хроматиди са идентични една с друга, те се наричат сестрински хроматиди.
Кога и къде се случва митозата
Митозата се случва във всички видове делящи се клетки в човешкото тяло, с изключение на сперматозоидите и яйцеклетките. Сперматозоидите и яйцеклетките са гамети или полови клетки. Гаметите се произвеждат чрез различен метод на делене, наречен мейоза. Митозата е характерна за растежа, поддържането и възстановяването на тъканите, както и за безполовото размножаване при някои организми.
Фази на митозата
- Профаза: Хроматинът се кондензира до видими хромозоми. Ядрената мембрана започва да се разгражда, центросомите (в животинските клетки с центриоли) се раздалечават и започват да организират митотичното вретено от микротубули.
- Прометафаза: Ядрената обвивка се разпада напълно. На центромерите на хроматидите се формират киникетни структури (кинетохори), към които се прикрепват микротубулите на вретеното.
- Метафаза: Хромозомите се подреждат в екваториалната равнина на клетката (метафазна плоча), под напрежение от противоположни микротубули.
- Анафаза: Сестриските хроматиди се отделят една от друга и се придвижват към противоположните полюси на клетката — това осигурява равномерно разпределение на генетичния материал.
- Телофаза: Хроматидите (вече приети като самостоятелни хромозоми) достигат полюсите и започват да се декондензират. Ядрената мембрана и nucleolus се възстановяват, образувайки две ядра.
След телофазата обикновено следва цитокинеза — физическото разделяне на цитоплазмата и органелите, което завършва образуването на две отделни дъщерни клетки. В животинските клетки цитокинезата се осъществява чрез контрактилен пръстен от актин и миозин, а при растителните клетки се образува клетъчна плоча, която ще стане нова клетъчна стена.
Молекулярни механизми и контрол
Репликацията на ДНК се извършва по време на S-фазата на интерфазата със синтезата на нова верига от ензими като ДНК-полимерази. Сестриските хроматиди остават свързани чрез белтъчен комплекс, наречен cohesin, докато не настъпи подходящият момент за тяхното отделяне.
Клетъчният цикъл се контролира от система от протеини — циклини и циклин-зависими кинази (CDK). Има няколко контролни точки (checkpoints), най-важните са G1/S и G2/M, които проверяват целостта на ДНК и готовността за митоза. По време на митозата има и механизъм, наречен spindle assembly checkpoint, който гарантира, че всички хромозоми са правилно прикрепени към митотичното вретено преди да започне анафазата.
Апаратът, който контролира разделянето на сестринските хроматиди, включва комплекса APC/C (anaphase-promoting complex), активиране на протеаза separase и разграждане на cohesin — тези стъпки позволяват разделяне и придвижване на хроматидите.
Значение и последици от грешки
- Митозата е необходима за растеж, възстановяване на тъкани и подмяна на увредени клетки.
- Грешки в митозата (напр. неправилен подбор на хромозоми, nondisjunction) могат да доведат до анеуплоидия — клетки с неправилен брой хромозоми (пример: синдром на Даун при човека).
- Неправилна регулация на клетъчния цикъл може да предизвика неконтролиран клетъчен растеж — основа за развитието на рак. Белтъци като p53, циклини и CDK са често ангажирани в тези регулационни пътища.
- Неуспешна цитокинеза може да доведе до многоядрени клетки и дисфункция на тъканите.
Разлики между клетки и видове
Времетраенето и детайлите на митозата варират при различните клетки и организми. При бързоделящи се клетки (напр. епителни клетки) митозата е по-честа и по-кратка, докато при диференцирани или постмитотични клетки (напр. неврони) процесът не се наблюдава. В растителните клетки липсват центриоли, но митотичното вретено се формира и функционира ефективно чрез друг тип организирани микротубулни центрове.
Като цяло митозата е добре координиран и стриктно контролиран процес, който гарантира предаването на генетичната информация с максимална точност, но все пак подлежи на механизми за поправка и корекция, които минимизират грешките.
Фази на митозата
Има пет фази на митозата. Всяка фаза се използва, за да опише през каква промяна преминава клетката. Фазите са профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза.
Профаза
По време на профазата хроматинът (заплетена ДНК) в ядрото се сгъстява в хромозоми (снопчета ДНК). Двойки центриоли се придвижват към противоположните страни на ядрото. Влакната на вретеното започват да образуват мост между краищата на клетката.
Прометафаза
По време на прометафазата ядрената обвивка около хромозомите се разрушава. Сега няма ядро и сестринските хроматиди са свободни. Във всяка центромера се образува протеин, наречен кинетохор. Дълги тънки белтъци се простират от противоположните полюси на клетката и се прикрепят към всеки кинетохор.
Метафаза
По време на метафазата двойките хроматиди се подреждат чрез избутване и издърпване на прикрепените към тях кинетохорни микротубули, подобно на игра на "дърпане на въже". Двете сестрински хроматиди остават прикрепени една към друга в центромера. Хромозомите се подреждат на екватора или централната линия на клетката и се подготвят за делене. Това е най-дългата фаза на митозата.
Анафаза
По време на анафазата сестринските хроматиди се разделят и се придвижват от екватора на клетката (метафазната пластина) към полюсите на клетката. Кинетохорът е прикрепен към центромера. Микротубулите се държат за кинетохора и скъсяват дължината си. Друга група микротубули, некинетохорните микротубули, правят обратното. Те се удължават. Клетката започва да се разтяга, тъй като противоположните й краища се раздалечават.
Телофаза
Телофазата е последният етап от митозата: самата клетка е готова да се раздели. На всеки полюс на клетката вече има по един комплект хромозоми. Всеки комплект е идентичен. Влакната на вретеното започват да изчезват и около всеки комплект хромозоми се образува ядрена мембрана. Освен това във всяко ново ядро се появява нуклеол, а едноверижните хромозоми се разгъват в невидими нишки хроматин.
Телофаза: Обръщане на събитията в профазата и прометафазата
Анафаза: Удължаването на некинетохорните микротубули отдалечава двата комплекта хромозоми един от друг
Метафаза: Центрозомите са се придвижили към полюсите на клетката и са образували митотичното вретено. Хромозомите са се събрали на метафазната плочка
Кратка схема на митозата
Ранна прометафаза: Ядрената обвивка е изчезнала, микротубулите взаимодействат с кинетохорите на хромозомите
Цитокинеза
Цитокинезата, въпреки че е много важна за клетъчното делене, не се счита за етап от митозата. По време на цитокинезата клетката се разделя физически. Това се случва непосредствено след анафазата и по време на телофазата. Браздата на разцепване, която представлява притискане, причинено от пръстена от белтъци, се притиска напълно, като затваря клетката.
Клетката вече се е възпроизвела успешно. След цитокинезата клетката се връща в интерфаза, където цикълът се повтаря. Ако цитокинезата настъпи в клетка, която не е преминала през митоза, дъщерните клетки ще бъдат различни или няма да функционират правилно. Едната все още би имала ядро, а другата би била без ядро. Цитокинезата е различна както при животинските, така и при растителните клетки. При растителните клетки, вместо да се разделят на две половини, те образуват клетъчна плочка. Това е клетъчна стена, която се образува между двете ядра, след като те са се разделили. Това трябва да се случи, защото клетките имат твърда форма и за да функционират, трябва да бъдат изцяло покрити с клетъчна стена.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява митозата?
О: Митозата е част от цикъла на клетъчно делене, при който хромозомите се копират, за да се получат два идентични набора хромозоми, а клетъчното ядро се разделя на две идентични ядра.
В: Какво се случва преди митозата?
О: Преди митозата клетката създава идентичен набор от собствената си генетична информация - това се нарича репликация. Генетичната информация се намира в ДНК на хромозомите.
В: Как можем да наблюдаваме митозата?
О: В началото на митозата хромозомите се навиват и стават видими със светлинен микроскоп. Хромозомите вече са две хроматиди, съединени в центромера. Тъй като двете хроматиди са идентични една с друга, те се наричат сестрински хроматиди.
Въпрос: В кой тип клетки се наблюдава митоза?
О: Митозата се случва във всички видове делящи се клетки в човешкото тяло, с изключение на сперматозоидите и яйцеклетките (гамети или полови клетки).
В: Какъв процес се извършва вместо това при гаметите?
О: При гаметите (сперматозоиди и яйцеклетки) вместо това се прилага друг метод на делене, наречен мейоза.
В: Как наричаме идентичния набор, създаден от клетката преди митозата?
О: Идентичният набор, създаден от клетката преди митозата, се нарича репликация.
В: Как наричаме две хроматиди, които са идентични една с друга по време на митозата?
О: Две хроматиди, които са идентични една с друга по време на митозата, се наричат сестрински хроматиди.
