Rozmnožování buněk Vertikální přenos GI
KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek
Buněčný cyklus • Buňky vznikají z bb. a jedinou možnou cestou, jak vytvořit více bb. je jejich dělením. • Vertikální přenos GI: B. (mateřská) se rozmnožuje uspořádaným sledem akcí, ve kterých zdvojí svůj obsah a pak se rozdělí na 2 bb. (dceřiné). • Tento děj se nazývá buněčný cyklus a rozmnožují se jím všechny b. živé org. • U jednobuněčných org. (např. bakterie, kvasinky) vzniká b. dělením celý nový org., ale pro vznik mnohob. org. je třeba mnoho b. dělení. • Horizontální přenos dědičné informace (mezi jedinci téže generace), což je typické například pro bakterie.
Podstata buněčného cyklu • Zkopírování genetické informace b. – replikace DNA. • Nejjednodušší a nejrychlejší je b. dělení u bakterií, protože obsahují 1 chromozom (20 min.). • Cyklická molekula DNA je přichycena k plazmatické membráně i při její replikaci a následně se nový chromozom oddělí od původního. • Mateřská b. následně zdvojnásobí svou velikost a rozdělí se na 2 nové dceřinné bb. – binární dělení. • B. stěna a plazmatická mem. se postupně vchlipují a rozdělí 1 b. na 2 bb. • Tak mohou vznikat kolonie bakterií, které jsou geneticky shodné (klony) = příčné dělení.
Buněčné dělení eukaryotních bb. • Je mnohem složitější, protože GI b. je rozdělena do mnoha chromozomů a má pravé jádro. • Dělení jádra (karyokineze) = mitóza. • Obsahují cytoplazmatické organely a cytoskeletální filamenty, které musí být zdvojeny a rovnoměrně rozděleny mezi 2 dceřinné bb. • Tento proces se nazývá cytoplazmatické dělení = cytokineze. • Meióza – specializované b. dělení, kdy z diploidní b. haploidní gamety (vajíčka, spermie).
Buněčný cyklus • Např. kvasinka se v ideálních podmínkách rozdělí za 90-120 min., savčí b. za 24 hod. • Fáze b. cyklu: G1, S, G2 a M. • M fáze (mitóza+cytokineze – 5 -10 % cyklu) – dělení jádra a b. – rychlý průběh. • Interfáze – období mezi dvěma M-fázemi (G1 S-G2). • G1 fáze (gap - 30-40 % cyklu) – b. roste, syntéza RNA, bílkovin a tvorba organel (hlavní kontrolní bod b.c.), růst b. • S fáze (50% cyklu) = syntéza – replikace DNA. • G2 fáze – růst b., tvorba sloučenin a organel ve dvojnásobném množství – přípravná fáze (2. kontrolní bod b.c.).
M-fáze • Postupná kondenzace chromozomů, které byly zreplikovány během S-fáze (2 kopie ch. zůstávají spojeny = sesterské chromatidy). • Na konci G2-fáze začínají být chromozómy viditelné pod mikroskopem – dlouhá vlákna. • Přesné rozdělení chromozomů u živočichů se uskutečňuje mitotickým aparátem – centrioly (centrozom) a dělící (mitotické) vřeténko (i rostliny). • Centrioly (centrozom) – stálá párová struktura b. uložená při povrchu jaderného obalu a je tvořena krátkými mikrotubuly. Dělící vřeténko (soustava mikrotubulů) – vytváří se na začátku mitózy útvar kolem c. – útvar aster. Zaniká po jejím ukončení. • Cytokineze u živočichů je dokončena pomocí kontraktilního prstence – konec mitózy v rovníkové poloze – prstenec aktinu a myozinu stahuje cytoplazmatickou mem. a rozdělí b.
Dělení organel během mitózy • Dochází nejen k rozdělení ch., ale i organel. • Nejdůležitější organely jsou mitochondrie a chloroplasty – nejprve růst – vlastní dělení – rozdělení do nových bb. • Podobně je to i s membránovými organelami – nová b. potřebuje aspoň část této původní organely, aby si vytvořila novou (GC, ER – se rozpadají na fragmenty, které jsou rozděleny do nových bb.).
Mitóza • Rozdělení replikovaných chromozomů a dokončení dělení jádra na 2 dceřinná. • Chromozómy jsou dobře pozorovatelné pod mikroskopem – z geneticky aktivní interfázní formy (nepozorovatelné) na geneticky neaktivní (pozorovatelné).
• 4 fáze mitózy: profáze, metafáze, anafáze a telofáze. Sesterské chromatidy se rozdělí a stávají se dceřinnými ch. v nových bb.
•
Profáze • Rozdělení centriol (centrozomů) a jejich umístění proti sobě na pólech b.= póly vřeténka. • Z mikrotubulů se vytváří dělící vřeténko (spotřeba ATP – polymerují a depolymerují = dynamická nestabilita – polární mikrotubuly). • Jaderná membrána se rozpadá (fosforylace a rozpad j. laminy) a zaniká jadérko. • Kondezace chromozomů – viditelné – zkrácení a mnohonásobná spiralizace a jejich navázání na mitotické vřeténko (kinetochorové mikrotubuly) pomocí proteinových komplexů kinetochor na speciální sekvenci DNA každé sesterské chromatidy – centromeře.
Metafáze • Chromozomy jsou rozprostřeny v centrální rovníkové rovině b. = metafázová destička. • Jsou zde udržovány silami protichůdných mikrotubulů a vazbami mezi chromatidami. • Ch. jsou nejlépe pozorovatelné (počet, morfologie). • Na konci metafáze a začátku anafáze dochází k rozdělení centromer ch.
Roztlak meristému kořínků
Allium cepa
Anafáze • Úplné rozdělení sesterských chromatid působením proteolytických e. a vznik dceřinných chromatid = chromozomů, které jsou taženy zkracujícími se vlákny dělícího vřeténka (depolymerace) k opačným pólům b. • Počet ch. u každého pólu b. je shodný s počtem ch. mateřské b., ale jsou jednovlákné. • Anafázi dělíme na anafázi A a B (polární mikrotubuly oddalují b. póly od sebe).
Kořínky bobu obecného
Roztlak meristému kořínků
Allium cepa
Telofáze
Roztlak meristému kořínků
Allium cepa
• Zaniká dělící vřeténko, dceřinné ch. jsou v polární poloze a dekondenzují do tvaru tenkých vláken. • Dochází k syntéze jaderných membrán kolem obou jader (fůze váčků jaderné mem., jaderné póry a jaderné laminy-defosforylace) a vzniku jadérek. • Zahájení stejnoměrného rozmístění organel a cytokineze (rostliny a houby-vznik přepážky, živočichové-zaškrcení b.).
Cytokineze • Mimo vzniku 2 nových jader se dělí i ostatní složky b. – membrány, cytoskelet, organely a další látky (proteiny). • To vše zahrnuje proces rozdělení cytoplazmy, který začíná v anafázi a pokračuje dále i po telofázi. • Rovina rozdělení a časový průběh cytokineze závisí na mitotickém vřeténku.
Cytokineze živočišné b. • Vytvoření přechodné struktury mikrotubulů – kontraktilní prstenec. • Kontraktilní prstenec – aktin a myozin – vlákna jsou navázána na vnitřní stranu cytoplazm. mem. a pohybují se proti sobě rýha. • Nejprve se vytvoří dělící rýha na cytoplazm. mem. b.– v rovníkové rovině b. stejně velké 2 b. • Asymetrické dělení nestejné 2 b. – diferenciace bb.
Cytokineze rostlinných bb. • Odlišný mechanismus – pevná b. stěna – uvnitř b. vzniká nová stěna, která je obklopená cytoplazm. mem. • Začíná se vytvářet mezi novými jádry během telofáze a je řízena útvarem fragmoplast zbytek polárních mikrotubulů mitotického vřeténka. • Nová b. stěna se tvoří pomocí váčků GC naplněných polysacharidy a glykoproteiny diskovitý útvar s mem. + celulózové mikrofibrily = cytoplazm. mem. + buněčná stěna.
Pohlavní rozmnožování • Nepohlavní rozmnožování – bakterie, jednobuněčné org. – jednoduché buněčné dělení. • Vzniklé potomstvo je geneticky shodné s rodičovským org. • Při pohlavním rozmnožování dochází k mísení genomů 2 jedinců a vzniklé potomstvo se liší od rodičů i mezi sebou navzájem – výhoda – většina rostlin i živočichů.
Proč vzniklo pohlavní rozmnožování? • Mísení genů rodičů má své výhody i nevýhody, ale předpokládá se, že pomáhá org. přežít v nepředvídatelně se měnícím prostředí = velké množství různých potomků, velká pravděpodobnost přežití aspoň 1 potomka. • Probíhá u diploidních org. (2 sady ch.- 1 po otci, 2. po matce) – somatické bb. • Zárodečné bb. – gamety (1 sada ch., ale 2 druhy gamet). • Živočichové – velká nepohyblivá vajíčka a malé pohyblivé spermie. • Tyto gamety vznikají z diploidních bb. speciálním b. dělením – meióza.
Princip pohlavního rozmnožování • Při pohlavním rozmnožování eukaryotních org. se střídají diploidní a haploidní generace bb.: 2n 1n. – z diploidní specializované b. (2n=2 sady ch.paternální homolog a maternál. h. – duplikace ch.) - redukční dělení = meióza 1. homologní rekombinace – hybridní ch. z obou rodičovských ch.
Meióza • Následují vždy 2 po sobě dělení – heterotypické (redukční d. rozdílné od mitózy) a – homeotypické (ekvační d. shodné s mitózou). • Pouze jednovaječná dvojčata z 1 zygoty jsou shodná. • Jinak jsou sourozenci vždy různí – 2 druhy náhodných genetických reorganizací:
• Náhodné rozdělení ch. do jednotlivých bb. během meiózy – 2n gamet (n= počet ch.). • Homologní rekombinace – zvýšení počtu různých gamet.
Heterotypické (redukční) dělení
Rozdílná profáze, která je složitější než u mitózy a rozděluje se na: Leptotene – spiralizace chromatinových vláken a diferenciace ch. Zygotene – přikládání homologních ch. k sobě a jejich spojení (synapse – zvláštní spojovací bílkovina) – vznik párů homologních ch.-bivalenty. Pachytene – pokračující spiralizací vzniklá tetrádastadium 4 chromatid-proplétání nesesterských chromatid (překřížení-chiazmatazlomyvýměna části chromatid=crossing-over). Diplotene – rozpuštění synaptického komplexu a postupné oddalování homologních ch. z bivalentu (ukončení crossing-overu). Diakineze – volnému rozchodu brání chiazmata, která se vlivem odpudivých sil přesouvají ke koncům-terminalizace chiazmat. Rozpouští se j. Meióza: roztlak testes mem. a formuje se vřeténko. sarančat (Orthoptera)
Další rozdíly • V heterotypické metafázi se vlákna dělícího vřeténka napojují na páry homolog. ch. v bivalentech. • Synaptonemální komplex – proteinová str. ze 3 paralelních vláken – 2 laterální a 1 centrální element.
• Crossing-over – překřížení (chiazma), zlomy a výměna částí sesterských chromatid. • V anafázi se pak rozcházejí k pólům dělícího vřeténka jednotlivé dvouchromatidové ch. – chromozomová disjunkce. • V telofázi se u pólů b. seskupí chromozomy – 1 z každého páru homologních ch. a mohou se nová jádra nebo následuje 2. meiotické d.
Homeotypické (ekvační) dělení
• Je prakticky shodné s mitózou, a probíhá s ch. složenými 2 chromatid. • Následuje bezprostředně po dělení heterotypickém. • Období mezi oběma děleními nazýváme interkineze. • Celkově při meiotickém dělení dochází k 1 replikaci a následují 2 b. dělení vznikají 4 haploidní bb. (tetráda), které mají ch. s 1 chromatidou – 4 gamety (1n).
Roztěr prašník Lilium sp.
• Nondisjunkce: některé haploidní bb. postrádají určitý ch. a jiné mají tento ch. navíc – abnormální gamety abnormální embryo (Downův syndrom – trisomie 21. ch).
