Rozmnožovanie buniek a bunkový cyklus

Rozmnožovanie - reprodukcia každého jedinca a jeho rast sú spojené s delením buniek. Materské bunky sa delia a dávajú vznik novým dcérskym bunkám, ktoré sú geneticky zhodné s materskou bunkou. Výsledkom reprodukcie buniek sú nové generácie buniek. Reprodukcia je teda časť života bunky, v ktorom sa bunky delia, rastú a vyvíjajú podľa genetickej informácie zapísanej v DNA, ktorú získali z materskej bunky. Bunkové delenie zabezpečuje aj regeneráciu poškodených tkanív, resp. pletív, orgánov a náhradu opotrebovaných buniek. Tento proces, nazývaný reprodukcia buniek, je základom života, umožňuje rast mnohobunkových organizmov, regeneráciu poškodených tkanív a náhradu opotrebovaných buniek.

Nemecký patológ R. Virchow sformuloval princíp „Omnis cellula e cellula“, čo znamená, že každá bunka pochádza z bunky.

Chromozómy a genetická informácia

Chromozóm sa považuje za základnú jednotku bunkového delenia. Pozdĺžne rozdelený chromozóm pozostáva z dvoch chromatídov, ktoré sú viditeľné ako dvojice paralelných chromonémov, spojených v mieste prvotného delenia - centroméra. Chromozómy sú tvorené nukleoproteínovými vláknami. Počet, tvar a veľkosť chromozómov je pre každý druh organizmu charakteristický a relatívne stály. Kompletný súbor chromozómov v bunke sa nazýva sada.

V telových bunkách sa chromozómy vyskytujú v pároch, z ktorých jeden pochádza od otca a druhý od matky. Telové bunky sú diploidné - 2n. Obsahujú napríklad 46 chromozómov. Naopak, pohlavné bunky majú polovičný počet chromozómov, sú haploidné - n. Nový jedinec vzniká splynutím dvoch haploidných pohlavných buniek - gamét, čím dochádza k zmene genetickej informácie.

Bunkový cyklus

Život bunky, ktorý predstavuje bunkové delenie a interfáza, sa nazýva bunkový cyklus. Bunkový cyklus je obdobie života eukaryotickej bunky od jej vzniku delením až po opätovné rozdelenie. Životný cyklus bunky sa skladá z dvoch hlavných častí: obdobia rastu a prípravy na delenie, nazývaného interfáza, a samotného delenia.

Súčasné pomenovanie fáz bunkového cyklu zaviedli v roku 1953 rádiobiológovia Alma Howard (1913-1984) a Stephen Pelc (1908-1973).

Fázy interfázy

Interfáza je najdlhšia fáza bunkového cyklu. Bunka v nej intenzívne rastie, plní svoje bežné metabolické funkcie a fyziologicky sa chystá na delenie. Začína sa bezprostredne po vzniku novej bunky.

• G1-fáza (postmitotická fáza): Začína najčastejšie v okamihu rozdelenia po vzniku novej bunky. Bunka v nej intenzívne rastie, syntetizuje RNA, bielkoviny a dopĺňa si bunkové organely. Prebieha tu tvorba zásoby nukleotidov a enzýmov nevyhnutných pre neskoršie zdvojenie DNA. V G1-fáze sa nachádza hlavný kontrolný uzol bunkového cyklu. Ak bunka opustí aktívny cyklus, vstupuje do G0-fázy, ktorá sa označuje aj ako pracovné obdobie. Trvá asi štvrtinu cyklu.
• S-fáza (syntetická fáza): Ak bunka úspešne prejde kontrolným uzlom, vstupuje do energeticky mimoriadne náročnej S-fázy. Prebieha v nej replikácia (syntéza) DNA, ktorej výsledkom je presné zdvojnásobenie genetického materiálu. Pôvodná molekula DNA je dvojvlákno. K odhaleným vláknam sa postupne začnú priraďovať voľné nukleotidy z cytoplazmy. Pripájanie prebieha podľa pravidla komplementarity (Adenín sa spája s Tymínom a Cytozín s Guanínom). Obe novovzniknuté molekuly DNA sú opäť dvojvláknové. Každý chromozóm je na konci tejto fázy tvorený dvomi identickými sesterskými chromatídami, ktoré sú fyzicky spojené v mieste centroméry. Bunka je v tomto momente fyziologicky tetraploidná (\(2 \times 2n = 4n\)).
• G2-fáza (predmitotická fáza): Je záverečná časť interfázy, v ktorej sa bunka finálne chystá na delenie. Pokračujú syntetické procesy - najvýraznejšie sa syntetizuje RNA a bielkoviny (napríklad tubulín, nevyhnutný pre stavbu deliaceho vretienka). Zároveň prebieha delenie semiautonómnych organel (mitochondrií a plastidov), čomu predchádza replikácia ich vlastnej mimojadrovej DNA.

Regulácia bunkového cyklu

Regulácia bunkového cyklu je kľúčová pre udržanie homeostázy v mnohobunkových organizmoch. Tento proces je riadený špecifickými regulačnými mechanizmami, ktoré zabezpečujú správny počet buniek vo všetkých tkanivách a orgánoch. Všetky regulátory bunkového delenia ovplyvňujú priebeh bunkového cyklu v G1 fáze, kde je kontrolný uzol.

• G0-fáza (kviescencia): Je pokojové štádium, ktoré je reverzibilné a bunka môže po čase opäť vstúpiť do aktívneho cyklu. Bunka v tomto štádiu žije, plní svoje špecifické funkcie v organizme, morfologicky sa diferencuje, ale nedelí sa. V mnohobunkových organizmoch sa v tejto fáze nachádza drvivá väčšina buniek (napríklad neuróny alebo svalové bunky, mozgové bunky, pečeňové bunky raz za rok).
• Senescencia: Je stav, kedy sa bunky už z G0-fázy nemôžu vrátiť do bunkového cyklu (terminálna diferenciácia). U buniek, ktoré natrvalo stratili schopnosť delenia, je kontrolný uzol v G1 fáze natrvalo zablokovaný.
• Apoptóza: Predstavuje programovanú bunkovú smrť.

Delenie bunky (M fáza)

Z časového hľadiska predstavuje samotné delenie bunky zhruba 10 % celkového trvania cyklu. Táto fáza sa skladá z dvoch logicky a fyziologicky odlišných procesov, ktoré na seba úzko nadväzujú: delenie jadra a delenie samotnej bunky.

Delenie bunky pozostáva z dvoch od seba nezávislých procesov, a to delenie jadra - karyokinéza a delenie bunky - cytokinéza.

1. Mitóza: Nepriame delenie buniek (karyokinéza)

Mitóza je najbežnejší a najčastejší spôsob delenia buniek. Predstavuje základný spôsob reprodukcie jadra somatických buniek a zabezpečuje presné rozdelenie chromozómov do dcérskych buniek. Tým sa zachováva genetická identita medzi materskou a dcérskymi bunkami. Mitóza je kľúčová pre rast a obnovu organizmov. V bežnej reči sa pojmom mitóza často zjednodušene označuje celé delenie bunky. Z hľadiska presnej terminológie však mitóza pomenúva výlučne delenie jadra a genetického materiálu. Cieľom karyokinézy je prísne rovnomerné rozdelenie zdvojeného genetického materiálu z materského jadra do dvoch budúcich dcérskych jadier. Dcérske bunky sú identické s materskou bunkou.

Fázy mitózy:

1. Profáza: Chromozómy sa začínajú špiralizovať, hrubnú a stávajú sa viditeľnými. Zaniká jadierko a rozpadá sa jadrová membrána. Formuje sa mitotický aparát - deliace vretienko, ktoré vzniká medzi centriolami, ktoré sa presúvajú k pólom bunky.
2. Metafáza: Chromozómy sú zoskupené v ekvatoriálnej rovine bunky (metafázová platňa). V mieste centroméry sa spájajú s mikrotubulami deliaceho vretienka. V tejto fáze dochádza k pozdĺžnemu rozdeleniu chromozómov.
3. Anafáza: Sesterské chromatídy sa oddeľujú a putujú k protiľahlým pólom bunky. Vlákna deliaceho vretienka sa pomaly skracujú a ťahajú jednotlivé chromozómy k vlastným pólom bunky. Týmto procesom sa zabezpečuje rovnomerné rozdelenie genetickej informácie do budúcich dcérskych buniek.
4. Telofáza: Chromozómy sa sústreďujú pri pólach deliaceho vretienka. Dochádza k dešpiralizácii chromozómov, rekonštrukcii jadierka a jadrovej membrány, čím vznikajú dve dcérske jadrá. Tým sa končí delenie jadra (karyokinéza).

Cytokinéza po mitóze:

Po karyokinéze nasleduje cytokinéza - rozdelenie samotnej bunky, čím z jednej materskej bunky definitívne vzniknú dve samostatné dcérske bunky. Mechanizmus tohto delenia priamo závisí od prítomnosti bunkovej steny:

• U živočíšnych buniek - prebieha zaškrtením cytoplazmatickej membrány od vonkajšieho povrchu do stredu (dostredivo, centripetálne). Tento proces zabezpečuje kontraktilný prstenec tvorený z bielkovín aktínu a myozínu.
• U rastlinných buniek - pre prítomnosť pevnej bunkovej steny sa bunka nemôže jednoducho zaškrtiť. Namiesto toho sa v strede bunky začnú hromadiť vezikuly z Golgiho aparátu, ktoré vytvoria novú bunkovú stenu.

2. Meióza: Redukčné delenie buniek

Meióza alebo meiotické (redukčné) delenie je špecifický typ delenia, ktorý vedie k vzniku štyroch haploidných buniek (gamét). Meióza je nevyhnutná pre pohlavné rozmnožovanie, pretože zabezpečuje redukciu počtu chromozómov na polovicu (2n → n), čo umožňuje vznik diploidnej zygoty po oplodnení. Meióza prebieha len v pohlavných žľazách (gonádach) a vznikajú ňou pohlavné bunky - gaméty. Týmto spôsobom dochádza k redukcii počtu chromozómov. Dcérske bunky sú geneticky odlišné od materskej (kvôli procesu crossing-over).

Meiózu možno charakterizovať ako dve po sebe nasledujúce mitotické delenia, pri ktorých dochádza len jeden raz k replikácii DNA. Prvé z nich sa označuje ako heterotypické, druhé ako homeotypické - veľmi podobné mitotickému deleniu (bez redukcie počtu chromozómov).

Fázy meiózy I (heterotypické delenie):

Dochádza k redukcií chromozómov na polovicu.

• Profáza I: Stráca sa jadrová membrána, zviditeľňujú sa chromozómy, vytvára sa deliace vretienko. Homologické chromozómy sa párujú, vytvárajú dvojice - bivalenty. Priblížením homologických chromozómov môže nastať ich prekríženie (crossing-over), pri ktorom si môžu vymeniť zodpovedajúce časti chromatíd. Profáza I má 5 štádií: Leptoténne, Zygoténne, Pachyténne, Diploténne, Diakinéza.
• Anafáza I: Dvojchromatidové páry homologických chromozómov sa rozdelia - jeden z dvojice ide k jednému pólu a druhý k druhému pólu bunky.
• Telofáza I: Dvojchromatidové chromozómy sú sústredené na póloch bunky, nastáva rekonštrukcia jadra, dochádza k cytokinéze - rozdeleniu bunky.

Fázy meiózy II (homeotypické delenie):

V princípe je podobné mitóze - prebieha po krátkej interfáze, pri ktorej nedochádza k replikácii DNA. Má 4 fázy podobne ako mitóza (Profáza II., Metafáza II., Anafáza II., Telofáza II.). Pri homeotypickom delení sa chromozómy pozdĺžne delia, oddeľujú sa chromatídy a vznikajú jednochromatidové chromozómy. Výsledkom sú 4 bunky s polovičným - haploidným počtom jednochromatidových chromozómov.

3. Amitóza: Priame delenie jadra

Amitóza je pomerne málo preskúmaný spôsob delenia buniek, pri ktorom (na rozdiel od mitózy) sa genetická informácia neskladá do zbalených chromozómov, jadrová membrána sa nerozpadá a nevzniká ani deliace vretienko. Amitóza je priame delenie jadra, ktoré je typické pre primitívnejšie formy života.

Pri amitóze sa jadro jednoducho predĺži na dĺžku takmer celej bunky a následne je priškrtením rozdelené na dve jadrá, tesne pred rozdelením samotnej bunky. Rozdelením jadra sa jeho obsah náhodne rozdelí na dve časti, čo vedie k nerovnomernému rozdeleniu genetického materiálu medzi dcérske bunky.

Amitóza je najlepšie preskúmaná na nálevníkoch. Tieto jednobunkové prvoky obsahujú dve jadrá: menšie jadro je diploidné (obsahuje dve sady chromozómov), pri nepohlavnom delení buniek sa delí mitózou a slúži len na uchovanie genetickej informácie. Väčšie jadro sa delí amitózou a je zodpovedné za vegetatívne funkcie bunky.

Prítomnosť amitózy v bunkách vyšších organizmov je zatiaľ skôr kontroverzná, pretože bola pozorovaná predovšetkým nepriamo alebo v bunkových kultúrach. Ukazuje sa, že amitóza môže hrať rolu napríklad v tvorbe zárodočných buniek v črevách vínnych mušiek a výživových buniek embrya myší.

Porovnanie mitózy a meiózy

tags: #rozmnozovanie #bunky #amitoza