DIVIZIUNEA CELULARA - Reproducerea organismului

DIVIZIUNEA CELULARA

Reproducerea organismului are la baza sa reproducerea celulara. Perioada ce se deruleaza intre doua diviziuni mitotice alcatuieste ciclul celular (din gr. "kyklos" - cerc). Ciclul celular cuprinde interfaza si diviziunea celulei (fig.1).

Fig. 1. Schema ciclului celular:
G₁ - perioada presintetica; S - perioada sintetica;
G₂ - perioada postsintetica; M - mitoza.

Interfaza (din gr. "inter" - intre si gr. "phasis" - aspect) reprezinta intervalul dintre doua mitoze consecutive. In interfaza, celula se pregateste de diviziune, aceasta insa nu inseamna ca ea se afla in stare de repaus, dimpotriva, este cea mai activa din punct de vedere metabolic in ciclul celular, in care au loc o serie de procese esentiale pentru declansarea diviziunii celulare.

In aceasta etapa a ciclului celular, nucleul reprezinta o structura optic uniforma, cromozomii sunt despiralizati, vizibili fiind doar nucleolii.

Interfaza este formata din trei perioade (subfaze), iar fiecare dintre ele se caracterizeaza printr-o serie de particularitati.

1. Perioada G₁ (presintetica) (din eng. "G-gop" - gol).

In perioada G₁ nu se produce sinteza ADN-ului (cantitatea de ADN este 2n (2c)), dar se sintetizeaza intensiv ARNm, proteinele, enzimele. In afara de aceasta, in celula se acumuleaza ATP, iar numarul de organite celulare creste.

Perioada G₁ constituie 25-50% din timpul interfazei (4-10 ore). La o serie de celule (celulele maligne), plasmodiul mixomicetei (Fusarium) poate lipsi.

2. Perioada S (sintetica) (din eng. "S-synthesis" - sinteza).

In aceasta perioada are loc reduplicarea ADN-ului, cantitatea lui variind intre 2c si 4c (dupa numarul de cromatide). Paralel cu sinteza ARNr continua sinteza ARNm.

Perioada S ocupa 35-40% (5-8 ore) din interfaza. Ea nu poate lipsi in ciclul celular.

3. Perioada G₂ (postsintetica).

In aceasta perioada continua sinteza ARN-ului si a proteinelor. Se sintetizeaza in cantitati mari tubulinele, actina si miozina, acestea fiind necesare dividerii celulare.

Perioada G₂ are o durata de 20-35% (3-5 ore) din interfaza. Dupa interfaza celula se divide.

Reproducerea celulelor asigura cresterea, multiplicarea, diferentierea si regenerarea tesuturilor, iar, in cele din urma, continuitatea vietii.

Celulele procariote se reproduc ca rezultat al dividerii simple, fie prin strangulatie (bacteriile gramnegative), lamela mediana (bacteriile grampozitive), sau prin inmugurire (la rizobii).

In prealabil, in celula initiala are loc reduplicarea moleculei de ADN cu participarea nemijlocita a plasmalemei, astfel celulele-fiice primesc aceeasi informatie ereditara localizata in nucleoid.

Celulele eucariote se reproduc pe doua cai:

1. prin diviziunea directa (amitoza);
2. prin diviziunea indirecta (cariochineza si citochineza).

Diviziunea directa reprezinta o simpla scindare a nucleului si a citoplasmei, iar diviziunea indirecta are loc in urma unor schimbari ale substantei nucleare. Diviziunea indirecta poate fi:

1. tipica sau ecvationala (mitoza);
2. alotipica sau reductionala (meioza);

Amitoza (din gr. "a" - fara, "mitos" - fir, filament) reprezinta diviziunea directa a celulei al carei nucleu se afla in interfaza. Amitoza a fost descoperita inaintea mitozei. Ea se intalneste la majoritatea organismelor eucariote: protozoare, metazoare, plante si este tipica atat pentru animalele nevertebrate, cat si pentru plantele unicelulare.

Amitoza se caracterizeaza printr-o serie de particularitati:

• in aceasta diviziune nu are loc condensarea cromozomilor;
• nu are loc formarea fusului de diviziune;
• initial se multiplica nucleolii;
• dividerea nucleului are loc prin strangulare;
• dupa dividerea nucleului nu este obligatorie si dividerea citoplasmei (ca rezultat se obtin celule polinucleare).

Diviziunea amitotica este mai frecventa in celulele din tesuturile patologice sau in celulele batrane, care si-au redus capacitatea de diferentiere.

In conditii normale, prin amitoza se multiplica unele dintre foitele embrionare ale animalelor, celulele foliculare ale ovarului, celulele glandelor endocrine si ale ficatului, iar la plante - celulele ovarului, parenchima tuberculelor, edospermul.

Mitoza (din gr. "mitos" - filament) reprezinta diviziunea indirecta a celulelor somatice cu dublarea prealabila si repartizarea uniforma a numarului de cromozomi (materialul ereditar) in celulele-fiice. Mitoza are loc in celulele ce se afla in plina crestere: tesutul embrionar si tesuturile meristematice ale plantelor, organele hematopoetice si tesuturile epidermice ale animalelor etc. Aceasta diviziune asigura inmultirea celulelor, cresterea si diferentierea individuala, continuitatea genotipului.

Mitoza a fost descoperita pentru prima data de W. Fleming in 1879. Diviziunea mitotica are loc in celulele-mama diploide (cu 2n cromozomi sau 2c). In urma diviziunii mitotice, celula se dubleaza, generand doua celule-fiice identice cu celula-mama (cu 2n cromozomi sau 2c). Ea ocupa circa 10% din ciclul celular. In functie de specia din care fac parte celulele ce se divid, mitoza poate dura intre cateva minute si cateva ore.

Mitoza este alcatuita din 4 faze succesive:

1. Profaza - perioada in care cromozomii devin vizibili in rezultatul spiralizarii si condensarii. Fiecare cromozom este dublat longitudinal si se evidentiaza cele doua cromatide rasucite una in jurul celeilalte si unite in regiunea centromerului. Spre sfarsitul profazei, apar centrii mitotici, nucleolii devin mai mici si chiar dispar complet, degradeaza membrana nucleara.

In concluzie: profaza mitozei se caracterizeaza prin urmatoarele procese:

• dublarea centriolilor (inca in interfaza) si migrarea lor spre polii celulei;
• condensarea cromatinei si evidentierea cromozomilor;
• degradarea nucleolilor;
• degradarea membranei nucleare (si, ca rezultat, a unei parti din reticulul endoplasmatic rugos);
• formarea fusului de diviziune (in celulele animale fusul de diviziune este radial, in celulele vegetale el este aranjat intr-un singur plan);
• amestecul carioplasmei si hialoplasmei (fig. 2a).

Profaza ocupa circa 50% (30 min) din mitoza.

2. Metafaza - etapa in care cromozomii sunt delimitati si se aranjeaza in regiunea ecuatorului unde formeaza placa metafazica. Metafaza este stadiul in care se pot stabili, cu deosebita precizie, numarul, forma, marimea cromozomilor specifici fiecarei specii.

Cromozomii se ataseaza de centromer cu fibrele fusului de diviziune (pe fiecare fibra cate un cromozom). Cele doua cromatide ale fiecarui cromozom sunt asezate una langa alta si sunt unite in regiunea centromerului. Cand metafaza se apropie de sfarsit, centromerii incep sa se divida, iar de fiecare jumatate ramane prinsa cate o cromatida.

In metafaza poate sa continuie degradarea membranei nucleare.

Asadar, particularitatile metafazei sunt urmatoarele:

• aranjarea cromozomilor la ecuatorul celulei;
• formarea placii metafazice;
• aranjarea cromozomilor in forma de stea (cu centromerul spre centru);
• fixarea cromozomilor prin intermediul fusului de diviziune (fusul de diviziune este alcatuit din fibrele centriolo-cromozomiale si fibrele centriolo-centriolare) (fig. 2b).

Metafaza alcatuieste circa 13% (8 min) din mitoza.

3. Anafaza consta in clivarea longitudinala a cromozomilor si deplasarea lor (fiecare cromozom este monocromatidic) spre polii opusi ai celulei. Astfel, la polii celulei se formeaza doua seturi de cromozomi cu aceeasi constitutie genetica ca si nucleul celulei-mama.

Anafaza dureaza circa 7% (4 min) din timpul mitozei si se caracterizeaza prin:

• deplasarea cromatidelor fiecarui cromozom spre polii celulei (viteza deplasarii este de 0,2-5,0 m/min);
• aranjarea cromatidelor in timpul deplasarii in conformitate cu pozitia centromerului (fig. 2c).

Fig 2. Diviziunea mitotica in celula animala:
a) profaza;   b) metafaza;   c) anafaza;   d) telofaza.

Exista diferite opinii referitoare la natura fortelor care mobilizeaza cromozomii monocromatidici (cromatidele) spre polii celulei.

Conform ipotezei biochimice, deplasarea cromozomilor, la desprinderea lor de centromer, are loc datorita polimerizarii in apropierea centriolilor a tubulinei (proteina contractila) fusului de diviziune si depolimerizarii in regiunea centromerilor (chinetocorului).

Conform ipotezei fiziologice, deplasarea cromatidelor este rezultatul contractiilor proteinelor contractile ale microtubulilor (actina si miozina). Ambele ipoteze merita atentie, mai ales ca unele celule (celulele plantelor superioare) nu au centrioli.

4. Telofaza se caracterizeaza prin formarea la fiecare pol al celulei a cate un nucleu separat, care, dupa despiralizarea cromozomilor, devine optic omogen. Spre sfarsitul telofazei apar nucleolii. Continutul nucleolilor este similar cu cel al celulei-mama.

In concluzie: telofaza se caracterizeaza prin:

• decondensarea cromozomilor;
• formarea unei noi membrane nucleare;
• formarea nucleolilor;
• degradarea fusului de diviziune;
• formarea centrului celular;
• citochineza si formarea a doua celule-fiice identice cu celula-mama (fig.2d).

Citochineza (din gr. "kytos" - cavitate, "kinesis" - miscare) reprezinta dividerea citoplasmei cu tot ansamblul de constituienti citoplasmatici si ai membranei celulare. Organitele celulare se repartizeaza intr-o masura mai mare sau mai mica intre celulele-fiice. Mecanismul citochinezei difera la plante si animale. La plante citocheneza are loc prin formarea fragmoplastului (a lamelei mediane) in regiunea ecuatorului, cu extinderea ulterioara spre periferie (se presupune ca fragmoplastul deriva din tubulii fusului de diviziune si decurge cu participarea aparatului Golgi), iar la animale - prin strangulare (de regula, in regiunea centrala si orientata spre centru).

In rezultatul mitozei, dintr-o celula somatica (diploida-2n) se formeaza doua celule-fiice, in mare masura asemanatoare intre ele si cu celula-mama (sunt de asemenea diploide-2n).

Dupa gradul de asemanare dintre celulele-fiice si celula-mama, deosebim urmatoarele forme de mitoza:

1. mitoza homotipica - celulele-fiice se aseamana intre ele, dar sunt mai mature ca celula-mama (este caracteristica celulelor in diferentiere);
2. mitoza homoheterotipica (sau asimetrica) - o celula-fiica se aseamana cu celula-mama, iar cealalta difera;
3. mitoza de diferentiere (sau intinerire) - celulele-fiice sunt mai tinere decat celula-mama (este caracteristica limfocitelor).

Celulelor somatice le sunt caracteristice urmatoarele variatii ale mitozei:

1. Ortomitoza - centrul de formare a microtubulilor se afla in citoplasma. La randul sau, ortomitoza se poate diviza in:
1. ortomitoza deschisa (sau mitoza obisnuita);
2. ortomitoza semideschisa - se pastreaza membrana nucleara, cu exceptia zonelor polare (este caracteristica unor alge rosii, brune, verzi, unor ciuperci);
3. ortomitoza inchisa - membrana nucleara se pastreaza intacta. Fusul de diviziune se formeaza in nucleu. Se intalneste la unele infuzorii (dividerea micronucleelor).
2. Pleuromitoza - nu se distruge membrana nucleara, iar la formarea fusului de diviziune nu participa centriolii, ci structurile din partea interna a membranei nucleare (placile centriolare). Se intalneste la protozoare, la unele ciuperci (hitridiomicete, oomicete, zigomicete, ascomicete).
3. Criptomitoza - nu se formeaza placa metafazica. Se intalneste la unele ciuperci inferioare, la protozoare.
4. Criptopleuromitoza - forma intermediara cu trasaturi caracteristice de criptomitoza si pleuromitoza.
5. Mitoza euglenoidala - nu se formeaza fusul de diviziune.
6. Mitoza infuzoriala - macronucleul se divide amitotic, iar micronucleul - mitotic.
7. Endomitoza - are loc marirea cantitatii de ADN, ca urmare a condensarii mitotice a cromozomilor si a poliploidizarii. Cauza endomitozei este dereglarea activitatii fusului de diviziune. Se intalneste la paduchii de apa.
8. Politenia - are loc marirea dimensiunilor cromozomilor (cromozomii politenici) interfazici ca rezultat al replicarii ADN-ului in perioada S. Cromozomii nu sunt supusi condensarii mitotice (nu participa la mitoza). Politenia poate fi observata in celulele glandelor salivare ale dipterelor, in sinergidele cepei, in antipodele graului.

Asupra mitozei actioneaza o serie de factori:

1. intracelulari - ce reprezinta raportul nucleo-plasmatic. Odata cu cresterea volumului celulei are loc dividerea nucleului si a citoplasmei. Procesul depinde de amplificarea genelor;
2. intercelulari - ce reprezinta factorii cei mai importanti si sunt rezultatul interdependentei diverselor tipuri de celule (batrane si tinere) din tesut;
3. generali - ce reprezinta factorii externi (temperatura, lumina), substantele chimice (vitamine, hormoni).

Semnificatia biologica a mitozei este urmatoarea:

1. asigura constanta numarului de cromozomi (a materialului ereditar) in procesul de dividere a celulelor somatice;
2. asigura integritatea structurala a tesuturilor in caz de pierdere a celulelor (substituirea eritrocitelor, a celulelor din epiteliul intestinului etc.);
3. asigura cresterea si dezvoltarea organismului pluricelular;
4. asigura regenerarea tesuturilor si a organelor.

Meioza (din gr. "meion" - mai mic ) reprezinta diviziunea indirecta a celulelor germinale (ovocitul si spermatocitul de ordinul I) in zona de maturizare ce formeaza celulele sexuale (gameti). Meioza a fost descoperita de E. van Beneden in 1883 la Parascaris equorum.

Formarea gametilor este precedata de doua diviziuni succesive deosebite:

1. diviziunea reductionala (sau primara, heterotipica, meioza I);
2. diviziunea ecuationala (sau secundara, homotipica, meioza II).

Ca rezultat al primei diviziuni, dintr-o celula diploida (2n) se obtin doua celule haploide (n). A doua diviziune este echivalenta celei mitotice, iar din cele doua celule haploide se obtin 4. In urma unor procese, aceste celule dau nastere gametilor.

Meioza este precedata de interfaza, in care are loc reduplicarea moleculelor de ADN (4c). Intre diviziunea I si II poate exista o perioada de trecere - interchineza -, dar fara sinteza suplimentara de ADN. Fiecare diviziune este formata din 4 faze succesive (profaza, metafaza, anafaza, telofaza) cu trasaturile lor specifice (fig. 3.1 si 3.2).

Profaza I se caracterizeaza prin schimbari profunde cu semnificatie genetica deosebita. In mod obisnuit, are o durata mult mai mare decat cea a mitozei. La plante, profaza poate dura pana la cateva zile, iar la animale, ea poate dura saptamani sau chiar ani de zile (la unele mamifere). Acestei faze a meiozei ii sunt caracteristice o serie de modificari ale cromozomilor.

Profaza I este alcatuita din cinci stadii succesive: leptoten, zigoten, pachiten, diploten, diachineza.

In leptoten (din gr. "leptos" - fin, subtire; "teino" - a intinde) se evidentiaza cromozomii subtiri, formati din 2 cromatide, fara clivaj longitudinal. Ei se impletesc intr-o retea numita spirem.

In zigoten (din gr. "zigon" - cuplu) are loc imperecherea cromozomilor omologi (unul matern si unul patern) pe axul longitudinal in procesul sinapsei. Perechile de cromozomi omologi formeaza bivalentii descoperiti de T. H. Montgomery (1901) si W.S. Sutton (1902).

Conjugarea cromozomilor are loc treptat dintr-un anumit punct si se extinde asemenea unui fermoar. In acest caz, locii omologi corespund. Daca cei doi cromozomi din bivalent nu sunt identici, conjugarea are loc doar intre portiunile omoloage. Se presupune ca fortele care determina conjugarea sunt de natura electrostatica sau hidrodinamica.

Formarea sinapsei este caracteristica numai meiozei. In zigoten are loc inceputul sinapsei, care degradeaza in diploten.

Complexul sinaptonemal (sinaptonul) este o structura axiala tripartita:

1. un element central (10-40 nm) situat de-a lungul celor doi cromozomi omologi conjugati;
2. doua elemente laterale (30-40 nm), cate unul pentru fiecare cromozom omolog;
3. zona centrala (de 60-120 nm).

Sinaptonul are o marime de 120-240 nm, iar la suprafata este inconjurat de fibre radiare care contacteaza cu membrana nucleara.

Fig. 3.1. Meioza. Diviziunea reductionala:
a) profaza I;   b) metafaza I;   c) anafaza I;   d) telofaza I.

Functia sinaptonului este de a mentine cromozomii conjugati si de a asigura formarea chiasmelor (punctul de contact dintre cromozomii omologi) si a crossing-overului. In zigoten se sintetizeaza o mica cantitate de ADN (0 % z-ADN).

In pachiten (din gr. "pachys" - gros) are loc condensarea si spiralizarea cromozomilor in procesul sinapsei. Cei doi cromozomi omologi formeaza o figura tetracromatidica, numita tetrada. Intre cromatidele omoloage nesurori se evidentiaza punctele de contact (chiasmele), considerate drept expresie citologica a crossing-overului.

Crossing-overul reprezinta schimbul de segmente dintre cromatidele nefiice ale cromozomilor omologi.

Fig. 3.2. Meioza. Diviziunea ecuationala:
a) profaza II;   b) metafaza II;   c) anafaza II;   d) telofaza II.

In pachiten continua sinteza unei cantitati mici de ADN (0,1% p-ADN). De asemenea, poate avea loc activizarea capacitatii de transcriere a cromozomilor si formarea cromozomilor "perie de lampa".

In diploten (din gr. "diploos" - dublu) are loc clivajul cromozomilor pe toata lungimea lor si respingerea cromatidelor cromozomilor omologi. Acest proces incepe in regiunea centromerului.

Cromozomii omologi (formati din 4 cromatide - 4 c) mai sunt uniti prin chiasme. Prezenta chiasmelor este dovada crossing-overul. Spre sfarsitul diplotenului, sinaptonul se descompune, iar nucleolii se reduc in dimensiuni.

In diachineza (din gr. "de" - prin, de-a curmezisul; "kinesis" - miscare) ingrosarea cromozomilor este maxima. Cromozomii sunt uniti doar prin cateva chiasme. Spre sfarsitul diachinezii, nucleolii si membrana nucleara dispar, incepe fusul de diviziune.

Metafaza I se caracterizeaza prin disparitia membranei nucleare si formarea fusului de diviziune. Cromozomii bivalenti se indreapta spre ecuatorul celulei formand placa metafazica. Cromozomii din perechi au o pozitie simetrica: unul este orientat spre un pol, iar altul spre celalalt pol. Fibrele fusului de diviziune se fixeaza de cromozomii din bivalent. Intre cei doi centromeri ai bivalentului are loc o respingere activa ceea ce duce la indepartarea cromozomilor omologi.

Anafaza I se caracterizeaza prin deplasarea spre polii celulei a cate un cromozom (din doua cromatide) din fiecare bivalent. Cromatidele cromozomului se deplaseaza perechi, deoarece nu s-a produs diviziunea centromerului. In rezultat, la polii celulei are loc reducerea numarului de cromozomi de la 2n la n (de la 4c la 2c).

Telofaza I se caracterizeaza prin formarea a doua nuclee haploide (n), iar fiecare cromozom contine doua cromatide (2c). Nucleele isi restabilesc structura, apare membrana nucleara, urmeaza citochineza. In rezultat, se obtine o diada (doua celule-fiice).

Dupa telofaza I urmeaza interfaza (interchineza), dar ea nu este obligatorie (la unele organisme poate sa lipseasca chiar si telofaza I, anafaza I fiind urmata de a doua diviziune meiotica).

Dupa interchineza (in care numarul de cromozomi nu se schimba) urmeaza a doua diviziune meiotica - diviziunea ecuationala sau homotipica.

Diviziunea ecuationala se aseamana cu cea mitotica, insa se divid doua celule haploide (fiecare cromozom consta din doua cromatide - 2c), care formeaza 4 celule haploide, cromozomii fiind alcatuiti dintr-o cromatida - 1c.

Aceasta diviziune se deruleaza, de asemenea, in 4 faze: profaza II, metafaza II, anafaza II, telofaza II.

In profaza II are loc condensarea cromozomilor, degradarea nucleolilor si a membranei nucleare. Incepe fusul de diviziune. Aceasta faza lipseste la organismele care nu au trecut prin telofaza I si prin interchineza.

In metafaza II se termina formarea fusului de diviziune. Cromozomii se aranjeaza la ecuator, formand placa metafazica. Ei sunt fixati de fibrele fusului de diviziune in regiunea centromerului.

In anafaza II cromatidele-surori ale fiecarui cromozom se despart si se indreapta spre polii celulei.

In telofaza II cromozomii, ajunsi la cei doi poli, se despiralizeaza. Pe parcursul acestei faze se restabilesc nucleele, apare membrana celulara si patru celule haploide (numarul de cromozomi monocromatidici este de doua ori mai mic decat in celula-mama). Aceste patru celule alcatuiesc o tetrada si sunt precursorii gametilor. La animale ele se numesc spermatide (la masculi) si megaspori (la femele).

Celulele obtinute in rezultatul meiozei au o evolutie diferita. La masculi, toate cele patru celule vor deveni gameti-masculi sau - spori in consecinta procesului de spermatogeneza (sau microsporogeneza). La femele, trei dintre cele patru celule avorteaza, transformandu-se in nuclee polare, iar cea de-a patra celula se transforma in gamet-femela.

La plante, doua dintre celulele tetradei (uneori toate patru) participa la formarea sacului embrionar, in care are loc formarea ovulului, a sinergidelor, a celulelor-antipod si a celulelor diploide centrale.

In concluzie: diferitor grupe de organisme le sunt caracteristice diverse tipuri de meioza:

1. meioza gametica (sau terminala) - in rezultatul meiozei apar spermatozoizi si ovule care nu se divizeaza ulterior si sunt apte de fecundatie (se intalnesc la animalele superioare);
2. meioza zigotica (sau initiala) - in rezultatul meiozei apar celule vegetale cu un numar haploid de cromozomi (se intalneste la alge si ciuperci);
3. meioza sporala (sau intermediara) - in rezultatul meiozei se formeaza mega- sau microspori haploizi, la dividerea ulterioara a carora se formeaza gameti. Este o parte componenta a procesului general de sporogeneza (se intalneste la plantele superioare).

Din cele mentionate anterior se impune concluzia ca meioza si mitoza se deosebesc esential (urmariti tabelul 1).

Semnificatia biologica a meiozei este urmatoarea:

1. Asigura constanta numarului de cromozomi in cadrul reproducerii sexuate, micsorand de doua ori numarul lor in celulele sexuale. In urma fecundatiei, in zigot, se restabileste de fiecare data numarul diploid de cromozomi. In lipsa acestui proces, ar fi pusa in pericol insasi existenta speciei. De exemplu, la casatoria unei femei cu un barbat (ambii avand cate 46 de cromozomi) copiii ar avea cate 92 de cromozomi, iar nepotii - cate 184 s.a.m.d. pana se va ajunge la infinit? Si invers, in acest caz parintii tinerilor casatoriti ar fi trebuit sa aiba cate 23 de cromozomi fiecare, iar buneii - cate 12 cromozomi? E bine cunoscut insa faptul ca numarul de cromozomi este stabil pentru fiecare specie, aceasta insusire fiind determinata anume de meioza.
2. Asigura diversitatea (heterogenitatea) genetica ca rezultat al crossing-overului. Astfel, populatiile organismelor devin mai heterogene si, evident, se pot adapta mai usor la conditiile mediului.