Orice organism individual care se reproduce sexual – inclusiv omul – își începe viața ca un ovul fertilizat sau zigot. Apoi, trilioane de diviziuni celulare se produc în mod controlat, ducând la crearea unui organism pluricelular complex cum este, de exemplu, organismul uman. Astfel, celula originară este strămoașa oricărei alte celule din corp. După ce un individ uman a terminat de crescut, reproducerea celulară este, în continuare, necesară pentru a repara și regenera țesuturile. De exemplu, sângele și celulele pielii se reproduc în mod continuu. Toate organismele pluricelulare folosesc diviziunea celulară pentru creșterea și, în majoritatea cazurilor, întreținerea și repararea celulelor și a țesuturilor. Organismele unicelulare folosesc diviziunea celulară doar ca metodă de reproducere.
Continuitatea vieții de la o celulă la alta se fundamentează pe reproducerea celulelor cu ajutorul ciclului celular. Ciclul celular este o secvență ordonată de evenimente din viața unei celule, de la divizarea unei singure celule părinte, care produce două celule fiice noi, până la divizarea ulterioară a celor două celule fiice. Mecanismele implicate în ciclul celular sunt foarte bine păstrate în rândul eucariotelor. Astfel, organisme foarte diferite precum protistele, plantele și animalele parcurg pași similari in cursul ciclului lor celular.
Genomul
Complementul complet de ADN al unei celule se numește genomul celulei. Practic, genomul este un termen sofisticat care desemnează tot ADN-ul unui organism viu. Fiecare genom conține informațiile necesare pentru a construi și menține acel organism pe tot parcursul vieții lui.
Genomul uman reprezintă totalitatea informației genetice stocată în ADN-ul nuclear si mitocondrial al unui om. Genomul uman este identic în proporție de 99,9% la toți indivizii populației umane. El diferă în proporție de aproximativ 1,23% de genomul cimpanzeului. Între genomul uman și genomul maimuțelor superioare există variații foarte mici, în jur de 2%.
Genomul procariotelor este compus dintr-o singură macromoleculă de ADN monocatenar în formă de buclă sau cerc. Regiunea din celulă care conține acest material genetic se numește nucleoid. Unele procariote au, în plus, niște bucle de ADN mai mici numite plasmide, care nu sunt esențiale pentru o creștere normală.
Informaţia genetică din genomul eucariotelor este organizată sub formă de gene, care sunt amplasate pe mai mulți cromozomi liniari (Figura 4.1). Cromozomii sau „corpusculii colorați” (gr. chroma = culoare, soma = corp) sunt componente ale nucleului celular. În cromozomi sunt localizate macromoleculele de ADN purtătoare de gene; astfel, fiecare cromozom poartă o singură macromoleculă de ADN liniar dublu-catenară. Numărul și configurația cromozomilor sunt caracteristici ale fiecărei specii de eucariote.
Celulele corpului uman (celule somatice) au 46 de cromozomi. O celulă somatică conține două seturi omoloage de cromozomi iar configurația ei este cunoscută sub numele de diploid. Dacă reprezentăm un singur set de cromozomi prin litera n, atunci un organism diploid este desemnat prin 2n. Celulele umane care conțin un set de 23 de cromozomi se numesc gameți sau celule sexuale; exemple de astfel de celule sunt ovulele și spermatozoizii. Configurația gameților este cunoscută sub numele de haploid și este desemnată prin n.
Perechile omoloage de cromozomi dintr-un organism diploid se numesc cromozomi omologi. Cromozomii omologi au aceeași lungime și conțin în exact aceeași locație (sau locus) niște segmente specifice de nucleotide numite gene. Gena este unitatea funcțională a ADN-ului cromozomial și/sau mitocondrial și este responsabilă de sinteza unei anumite proteine. Prin codificarea unor proteine specifice, genele determină caracteristici specifice. O caracteristică îmbracă mai multe forme numite trăsături. De exemplu, forma lobului urechii este o caracteristică care are trăsăturile liber și atașat.
Fiecare copie a perechii omoloage de cromozomi provine de la un părinte, dar nu de la același părinte. Prin urmare, luate individual, copiile fiecărei gene pot să nu fie identice. Varietatea indivizilor dintr-o specie este determinată de modul în care se combină genele moștenite de la ambii părinți. De exemplu, există trei secvențe genetice posibile pe cromozomul uman care codifică grupa de sânge: secvența A, secvența B și secvența O. Deoarece toate celulele umane diploide au două copii ale acestui cromozom, trăsătura grupă de sânge este determinată de modul în care sunt moștenite cele două versiuni ale genei marker. Astfel, este posibil ca un individ să aibă două copii ale aceleiași secvențe genetice, câte una pe fiecare cromozom omolog (AA, BB sau OO), sau să aibă două secvențe diferite (AB).
Variațiile minore ale trăsăturilor, cum ar fi, de exemplu, cele pentru grupa de sânge, culoarea ochilor și înălțimea, influențează varietatea naturală a unei specii. Cromozomii sexuali X și Y sunt singura excepție de la regula cromozomilor omologi. În afară de o cantitate redusă de omologie, care este necesară pentru producerea de gameți fiabili, pe cromozomii X și Y nu se găsesc aceleași gene.
În cazul în care o singură genă controlează o singură caracteristică, un organism diploid are două copii genetice care codifică sau nu aceeași versiune a acelei caracteristici. De exemplu, un individ al unei specii de plante poate avea o genă care determină culoarea florii să fie albă și o genă care determină culoarea florii să fie violet. Variantele de gene care apar prin mutație și există în aceleași locații relative pe cromozomii omologi se numesc alele.
Două alele ale unei anumite gene a unui organism diploid sunt exprimate și interacționează pentru a produce caracteristici fizice. Trăsăturile observabile exprimate de un organism se numesc fenotip. Structura genetică de bază a unui organism, constând atât din alele vizibile fizic, cât și din alele neexprimate, se numește genotip.
O mutație este o alterare a materialului genetic (genomul) al unei celule a unui organism viu sau a unui virus care este mai mult sau mai puțin permanentă și care poate fi transmisă descendenților celulei sau ai virusului. Într-un sens larg, mutațiile genetice sunt modificări care apar în gene, cromozomi sau alți constituenți celulari care poartă ereditatea. Într-un sens concret, mutațiile genetice sunt modificări ale genotipului. În funcție de substratul afectat, mutațiile pot fi împărțite, la rândul lor, în urmatoarele categorii: mutații genice, cromozomiale, genomice și plastidice.
O mutație în ADN-ul unei celule somatice a unui organism multicelular (mutație somatică) poate fi transmisă celulelor descendente prin procesul de replicare a ADN-ului și poate duce la apariția unui sector sau a unui grup de celule cu funcție anormală, un exemplu în acest sens fiind cancerul. Mutațiile din ovule sau spermatozoizi (mutații germinale) pot avea ca rezultat un descendent ale cărui celule poartă mutația, ceea ce adesea înseamnă o boală gravă, cum sunt bolile genetice umane, un exemplu în acest sens fiind fibroza chistică. Mutațiile sunt rezultatul unor accidente survenite fie în timpul tranzacțiilor chimice normale ale ADN-ului, adesea în timpul procesului de replicare, fie prin expunerea la radiații electromagnetice de înaltă energie (de exemplu lumina ultravioletă sau razele X), radiații de particule sau substanțe chimice cu reactivitate ridicată din mediul înconjurător.
Figura 4.1: Într-o celulă somatică feminină există 23 de perechi de cromozomi omologi. Acești cromozomi sunt vizualizați în interiorul nucleului (sus), eliminați dintr-o celulă în mitoză (dreapta) și aranjați în funcție de lungime într-un aranjament numit cariogramă (stânga). Evidențierea cromozomilor din aceste imagini s-a făcut prin expunerea lor la lumină fluorescentă (credit: „718 Bot” / Wikimedia Commons, National Human Genome Research).
Ciclul celular
Ciclul celular este o serie ordonată de evenimente asociate atât cu creșterea celulară cât și cu diviziunea celulară. Celulele care urmează a se diviza celular parcurg o serie de etape, cronometrate și reglate cu precizie, de creștere, replicare a ADN-ului și diviziune, în urma cărora se produc două celule fiice identice genetic. Ciclul celular are două faze sau etape majore: interfază și fază mitotică (Figura 4.2). În timpul interfazei celula crește și ADN-ul este replicat. În timpul fazei mitotice ADN-ul replicat și conținutul citoplasmatic sunt separate și celula se divide.
Figura 4.2: O celulă parcurge în mod ordonat o serie de faze sau etape. În timpul interfazei, subfaza G1 corespunde creșterii celulelor și sintezei proteinelor, subfaza S corespunde replicării ADN-ului și duplicării centrozomului, iar subfaza G2 corespunde sintezei proteinelor și, uneori, unei creșteri celulare suplimentare. După interfază urmează faza (etapa) mitotică, care începe cu subfaza numită mitoză. Mitoza este un proces de diviziune nucleară în timpul căreia cromozomii duplicați sunt separați și distribuiți în nucleele fiice. După mitoză urmează, în mod obișnuit, subfaza numită citokineză, în decursul căreia citoplasma se divide și se formează două celule fiice.
Interfaza
În timpul interfazei, celula iși desfașoară procesele ei normale în timp ce se pregătește pentru divizarea celulară. Pentru ca o celulă să treacă de la interfază la faza mitotică, trebuie îndeplinite mai multe condiții interne și externe. Interfaza are trei subfaze numite G1, S și G2.
Subfaza G1
Prima subfază a interfazei se numește faza G1 sau primul decalaj deoarece se produc numai schimbări minore. Cu toate acestea, în timpul fazei G1 celula este activă la nivel biochimic. Pe lângă elementele de bază ale ADN-ului cromozomial și proteinele asociate, celula acumulează rezerve de energie suficiente pentru a finaliza sarcina de reproducere a fiecărui cromozom din nucleul său.
Subfaza S
Pe toată durata acestei subfaze a interfazei numită faza S sau faza de sinteză, ADN-ul nuclear rămâne într-o configurație de cromatină semi-condensată. În faza S, replicarea ADN-ului are ca rezultat formarea a două copii identice ale fiecărui cromozom, numite cromatide surori, care sunt atașate ferm de regiunea centromerului. În acest stadiu, pe lângă duplicarea fiecărui cromozom, este duplicat și centrozomul. Cei doi centrozomi dau naștere fusului mitotic, aparatul care va orchestra mișcarea cromozomilor pe durata mitozei. Centrozomul este format dintr-o pereche de centrioli asemănători cu o tijă și așezați în unghi drept unul cu celălalt. Centriolii ajută la organizarea diviziunii celulare. Multe specii eucariote, precum plantele și majoritatea ciupercilor, nu prezintă centrioli în centrozomi.
Subfaza G2
În subfaza interfazei numită faza G2 sau al doilea decalaj, celula își reface rezervele de energie și își sintetizează proteinele necesare manipulării cromozomilor. Unele organite celulare sunt duplicate iar citoscheletul este demontat pentru a produce resursele necesare fusului mitotic. În timpul acestei faze poate avea loc și o creștere celulară suplimentară. Pregătirile finale pentru faza mitotică trebuie finalizate înainte ca celula să intre în prima ei subfază, mitoza.
Faza mitotică
Pentru a produce două celule fiice, conținutul nucleului și citoplasma trebuie divizate. Faza mitotică este un proces cu mai multe etape în timpul căruia cromozomii duplicați sunt aliniați, separați și mutați către polii opuși ai celulei, iar apoi celula este împărțită în două celule fiice noi identice. Prima porțiune sau subfază a fazei mitotice, mitoza, este compusă din cinci etape, în timpul cărora se realizează diviziunea nucleară. În a doua porțiune sau subfază a fazei mitotice, citokineza, se produce separarea fizică a componentelor citoplasmatice în două celule fiice.
Mitoza
Mitoza este împărțită într-o serie de faze – profază, prometafază, metafază, anafază și telofază – care au ca rezultat final diviziunea nucleului celular (Figura 4.3).
Figura 4.3: Mitoza celulelor animale este împărțită în cinci etape – profază, prometafază, metafază, anafază și telofază – vizualizate aici prin microscopie cu lumină fluorescentă. Mitoza este de obicei însoțită de citokineză, vizualizată aici cu un microscop electronic de transmisie (credit „diagrame”: modificare a unei lucrări produsă de Mariana Ruiz Villareal; credit „micrografii de mitoză”: modificare a unei lucrări produsă de Roy van Heesbeen; credit „micrografie de citokineză”: modificare a unei lucrări produsă de Centrul Wadsworth, Departamentul de Stat al Sănătății din New York; donată fundației Wikimedia; date scalate de Matt Russell).
În timpul profazei, „prima fază”, mai multe evenimente trebuie să se petreacă pentru a deschide accesul la cromozomii din nucleu. Învelișul nuclear începe să se rupă în vezicule mici iar aparatul Golgi și reticulul endoplasmatic se fragmentează și se dispersează către periferia celulei. Nucleolul dispare. Centrozomii încep să se deplaseze către polii opuși ai celulei. Micotubulii care stau la baza fusului mitotic se extind între centrozomi, despărțându-i tot mai mult pe măsură ce fibrele microtubulilor se prelungesc. Cromatidele surori încep să se înfășoare mai strâns și devin vizibile la microscopul cu lumină.
În timpul prometafazei, mai multe procese care au început în profază continuă să evolueze și ating punctul culminant prin formarea unei legături între cromozomi și citoschelet. Resturile învelișului nuclear dispar. Fusul mitotic continuă să se dezvolte pe măsură ce tot mai mulți microtubuli se asamblează și se întind pe lungimea fostei zone nucleare. Cromozomii devin mai condensați și discreți din punct de vedere vizual. Fiecare dintre cromatidele surori se leagă de microtubulii fusului mitotic in zona centromerului prin intermediul unui complex proteic numit kinetocoră.
În timpul metafazei, toți cromozomii sunt aliniați într-un plan numit placa metafazică sau planul ecuatorial, la jumătatea distanței dintre cei doi poli ai celulei. Cromatidele surori sunt încă strâns legate una de cealaltă. În acest moment, cromozomii sunt condensați la maxim.
În timpul anafazei, cromatidele surori din planul ecuatorial se despart în zona centromerului. Fiecare cromatidă, numită acum cromozom, este atrasă rapid către centrozomul de care a fost atașat microtubulul ei. Celula se alungește vizibil pe măsură ce microtubulii nekinetocorici alunecă în direcții opuse pe placa metafazică unde erau suprapuși.
În timpul telofazei, toate evenimentele care, în timpul primelor trei faze ale diviziunii celulare, au creat cromozomii duplicați pentru mitoză, sunt inversate. Cromozomii ajung la polii opuși și încep să se descondenseze (să se desfacă). Fusele mitotice se sparg în monomeri care vor fi utilizați pentru a asambla componentele citoscheletului pentru fiecare celulă fiică. Un înveliș nuclear se formează în jurul fiecarui cromozom.
Citokineza
Citokineza este a doua parte a fazei mitotice în timpul căreia diviziunea celulară este completată de separarea fizică a componentelor citoplasmatice în două celule fiice.
Deși majoritatea eucariotelor au etapele mitozei asemănătoare, eucariotele cu pereți celulari, cum ar fi celulele vegetale, au un proces de citokineză specific. În celulele fără pereți celulari, cum ar fi celulele animale, citokineza începe după apariția anafazei. Un inel contractil compus din filamente de actină se formează chiar în interiorul membranei plasmatice la fosta placă metafazică. Filamentele de actină trag ecuatorul celulei spre interior, formând o fisură. Această „fisură” se numește falie de decolteu. Falia se adâncește pe măsură ce inelul de actină se contractă și, în cele din urmă, membrana și, ca urmare, celula se despart în două bucăți (Figura 4.4a). În celulele vegetale o falie de scindare nu este posibilă din cauza pereților celulari rigizi care înconjoară membrana plasmatică. Prin urmare între celulele fiice trebuie să se formeze un nou perete celular. În timpul interfazei, aparatul Golgi acumulează enzime, proteine de structură și molecule de glucoză înainte de a se sparge în vezicule și de a se dispersa în celula care se divide. În timpul telofazei, aceste vezicule Golgi se mișcă pe microtubuli pentru a se aduna pe placa metafazică. Acolo, veziculele fuzionează din centru spre pereții celulelor; această structură se numește placă celulară. Pe măsură ce tot mai multe vezicule fuzionează, placa celulară se lărgesște până când se contopește cu peretele celular de la periferia celulei. Enzimele folosesc glucoza care s-a acumulat între straturile de membrană pentru a construi un nou perete celular de celuloză. Membranele Golgi devin membrană plasmatică de ambele părți ale noului perete celular (Figura 4.4b).
Figura 4.4: În figura (a), o falie de scindare se formează pe fosta placă metafazică din celula animală. Membrana plasmatică este trasă printr-un inel din fibre de actină care se contractă chiar în interiorul membranei. Falia de scindare se adâncește până când celulele se rup în două. În figura (b), veziculele Golgi se unesc pe fosta placă metafazică dintr-o celulă vegetală. Veziculele fuzionează și formează placa celulară. Placa celulară crește de la centru spre pereții celulari. Din conținutul veziculelor se realizează noi pereți celulari.
Faza G0
Nu toate celulele aderă la modelul clasic al ciclului celular, în care o celulă fiică nou formată intră imediat în interfază, urmată îndeaproape de faza mitotică. Celulele din faza G0 nu se pregătesc în mod activ de divizare. Celula se află într-un stadiu de repaus (inactiv) după ce a ieșit din ciclul celular. Unele celule intră temporar în G0 până când un semnal extern declanșează începerea G1. Alte celule, care fie nu se divid niciodată sau se divid rareori, precum celulele mușchiului cardiac matur și celulele nervoase, rămân în G0 permanent (Figura 4.5).
Figura 4.5: Celulele care nu se pregătesc activ de divizare intră într-o fază alternativă numită G0. În unele cazuri, aceasta este o situatie temporară până la declanșarea intrării în G1. În alte cazuri, celula va rămâne în G0 permanent.
Controlul ciclului celular
Durata ciclului celular este foarte variabilă chiar și în interiorul celulelor unui organism individual. La om, frecvența fluctuației celulare variază de la câteva ore pentru dezvoltarea embrionară timpurie, până la o medie de două până la cinci zile pentru celulele epiteliale, sau o întreagă viață umană petrecută în G0 de celule specializate, cum ar fi neuronii corticali sau celulele musculare cardiace. Există, de asemenea, variații ale duratei pe care o celulă o petrece în fiecare fază a ciclului celular. Când celule ale mamiferelor care au o diviziune rapidă sunt cultivate în laborator (în condiții optime de creștere în afara corpului), durata ciclului lor celular este de aproximativ 24 de ore. În celulele umane care se divid rapid într-un ciclu celular de 24 de ore, faza G1 durează aproximativ 11 ore. Cronometrarea evenimentelor ciclului celular este controlată prin mecanisme interne și externe ale celulei.
Reglarea la punctele de control interne
Este esențial ca celulele fiice să fie duplicate exacte ale celulei materne. Greșelile din duplicarea sau distribuția cromozomilor duc la mutații care pot fi transmise către fiecare nouă celulă produsă din celula anormală. Pentru a preveni divizarea continuă a unei celule compromise, există mecanisme de control intern care funcționează în trei puncte de control principale ale ciclului celular, unde ciclul celular poate fi oprit până când condițiile devin favorabile. Aceste puncte de control au loc astfel: aproape de sfârșitul G1, la tranziția G2 – M și în timpul metafazei (Figura 4.6).
Figura 4.6: Ciclul celular este controlat prin trei puncte de control. Integritatea ADN-ului este evaluată la punctul de control G1. Duplicarea corectă a cromozomilor este evaluată la punctul de control G2. Atașarea fiecărei kinetocore la o fibră a axei este evaluată la punctul de control M.
Punctul de control G1
Punctul de control G1 determină dacă toate condițiile sunt favorabile pentru a continua diviziunea celulară. Punctul de control G1, numit și punctul de restricție, este punctul în care celula se angajează ireversibil în procesul de diviziune a celulei. Pe lângă verificarea rezervelor adecvate și a dimensiunii celulei, la punctul de control G1 se face și o verificare a deteriorării ADN-ului genomic. O celulă care nu îndeplinește toate aceste cerințe nu va fi lansată în faza S.
Punctul de control G2
Punctul de control G2 interzice intrarea în faza mitotică dacă anumite condiții nu sunt îndeplinite. Ca și în punctul de control G1, dimensiunea celulei și rezervele de proteine sunt evaluate. Cu toate acestea, cel mai important rol al punctului de control G2 este de a se asigura că toți cromozomii au fost reproduși și că ADN-ul reprodus nu este deteriorat.
Punctul de control M
Punctul de control M apare aproape de sfârșitul etapei metafazice a mitozei. Punctul de control M mai este cunoscut sub numele de punct de control al fusului deoarece asigură atașarea corectă de microtubulii fusului a tuturor cromatidelor surori. Deoarece separarea cromatidelor surori în timpul anafazei este o etapă ireversibilă, ciclul nu va continua până când kinetocorele fiecărei perechi de cromatide surori nu vor fi ferm ancorate de fibrele fusului prezente la polii opuși ai celulei.
Referințe:
- Fowler, Samantha, et al. Concepts of Biology. OpenStax College, Rice University, 2013. Download for free at: https://openstax.org/details/books/concepts-biology.