Клетъчно делене
🧫 През 1951 г. в болницата „Джонс Хопкинс“ в Балтимор лекарите вземат малка проба от тумора на 30-годишната Хенриета Лакс – без да я питат, както често се е правело тогава. Хенриета умира няколко месеца по-късно, но клетките ѝ правят нещо невиждано: делят се и не спират. Нормалните човешки клетки в култура се делят няколко десетки пъти и спират, а клетките HeLa се делят и днес, повече от 70 години по-късно, в лаборатории по целия свят. С тях е изпитвана срещу детски паралич и са направени хиляди открития. Те са и напомняне колко важно е делението на клетката да е под контрол – и за правото на хората да решават какво става с тялото им.
1. Хромозоми
ДНК на една наша клетка е дълга около 2 метра, а трябва да се побере в ядро с диаметър няколко микрометра. Затова тя е навита около – това е хроматинът. Преди делене хроматинът се спирализира още повече и се вижда под като отделни телца – хромозоми („оцветени телца“). Как е устроена самата ДНК, има в урока по химия Химия на живота.
Хромозоми, хроматиди и набори
Пример
Клетка на плодова мушица (2n = 8) е в метафаза на митозата. Колко хромозоми, хроматиди и хомоложни двойки има в нея?
- Хромозомите са 8 – броят им не се променя от удвояването на ДНК.
- Всяка хромозома е от 2 хроматиди: хроматиди.
- Хомоложните двойки са .
2. Клетъчният цикъл
Клетъчен цикъл
При типична човешка клетка в култура целият цикъл трае около 24 часа: G1 – около 11 h, S – около 8 h, G2 – около 4 h и митозата – само около час. Затова под микроскоп повечето клетки са в интерфаза. Колкото по-рядко срещаме дадена фаза, толкова по-кратко трае тя – така може да се измери продължителността ѝ, без да гледаме една клетка часове наред.
Избери фаза и посочи клетките в нея (неотбелязаните се броят за интерфаза):
Профаза – видими нишки; метафаза – линия в средата; анафаза – две групи в краищата; телофаза – две ядра и преграда.
💡 Препарат от връхчето на корен на лук, оцветен, за да се виждат хромозомите. Приемаме, че клетъчният цикъл трае 20 h и че клетките са в произволен момент от него. Посочи отново клетката със същата фаза, за да махнеш отметката.
Митотичен индекс и продължителност на фаза
3. Митоза
Делението на ядрото е описано за пръв път подробно от Валтер Флеминг през 1882 г.: той оцветява клетки от саламандър и вижда нишките (на гръцки mitos), които се разделят. Мини през фазите в лабораторията – първо в режим „митоза“.
1. Интерфаза (G1)
Клетката расте и работи. ДНК е разпусната като тънки нишки (хроматин) – отделни хромозоми не се виждат под микроскоп.
💡 Червено – хромозомите от майката, синьо – от бащата; дългата и късата двойка са хомоложни двойки. „c“ е количеството ДНК в хаплоиден набор хромозоми без удвояване.
Фази на митозата
Резултатът са две генетично еднакви клетки със същия брой хромозоми като майчината. С митоза зиготата става трилиони клетки, кожата и червата се подменят непрекъснато, а много растения и едноклетъчни организми се размножават безполово.
4. Мейоза
Ако и бяха диплоидни, при всяко поколение броят на хромозомите щеше да се удвоява. Затова гаметите се образуват с особено делене, което намалява броя наполовина. Превключи лабораторията горе в режим „мейоза“.
Мейоза
| митоза | мейоза | |
|---|---|---|
| къде | телесни (соматични) клетки | при образуване на гамети (спори при растенията) |
| деления | едно | две последователни |
| дъщерни клетки | 2, диплоидни (2n) | 4, хаплоидни (n) |
| генетично | еднакви с майчината | различни помежду си |
| хомоложни хромозоми | не се долепват | долепват се, кросинговър в профаза I |
| в анафаза се разделят | сестринските хроматиди | I – хомолозите, II – хроматидите |
| значение | растеж, заздравяване, безполово размножаване | полово размножаване, разнообразие |
Мейозата създава разнообразие по два начина: независимо разпределение на хомоложните двойки в метафаза I и кросинговър. Добави и случайното сливане на две гамети при – и разбираш защо братята и сестрите (освен ) никога не са еднакви.
Всяка двойка се подрежда в метафаза I независимо от другите: майчината хромозома може да отиде към единия или към другия полюс. Затова при n двойки има 2n възможни гамети. Шансът дете да получи от майка си точно нейните хромозоми от баба си е само 1 : 8.
💡 Червено – хромозомите, които организмът е получил от майка си, синьо – от баща си; двойките се различават по дължина. Кросинговърът добавя още много повече комбинации, затова в действителност гаметите на един човек практически никога не са еднакви.
Пример
Какво става, ако в мейоза I една двойка хромозоми не се раздели (неразделяне)?
- И двете хромозоми от двойката отиват в една и съща клетка. Едната клетка получава , другата хромозоми.
- След мейоза II всички четири гамети са анормални: две с и две с .
- Ако гамета с се слее с нормална, зиготата има – тризомия. Тризомия 21 води до синдрома на Даун; повечето други тризомии на големи хромозоми водят до спонтанен аборт.
5. Контрол на делението и рак
Клетката не се дели, когато ѝ хрумне. В цикъла има контролни точки – в края на G1, в края на G2 и в метафаза – където белтъци проверяват дали ДНК е цяла и удвоена и дали всички хромозоми са закачени за вретеното. Двигателите на цикъла са белтъците циклини и свързаните с тях (киназите); за откриването им Лийланд Хартуел, Тим Хънт и Пол Нърс получават Нобелова награда през 2001 г.
Рак
Нормалните клетки имат и „брояч“ на деленията. Краищата на хромозомите – теломерите – се скъсяват малко при всяко удвояване на ДНК. Когато станат твърде къси, клетката спира да се дели (границата на Хейфлик – обикновено няколко десетки деления). В стволовите и половите клетки, а и в повечето туморни клетки, ензимът теломераза възстановява теломерите – затова HeLa не спират.
6. Тренажор
Брой хромозоми и хроматиди, гамети, митотичен индекс, продължителност на фаза и количество ДНК.
30 от 200 клетки са в митоза. Митотичен индекс, %?
7. Делението в числа
👶 От една клетка до цял човек
В тялото на възрастен човек има около клетки. Колко последователни удвоявания биха били нужни, за да се стигне до толкова клетки от една зигота?
🩸 Фабриката за кръв
Костният мозък прави около 2,5 милиона червени кръвни телца в секунда. Колко са те за едно денонощие?
🧅 Колко трае митозата в лука
В препарат от корен на лук 12% от клетките са в митоза. Ако клетъчният цикъл трае около 20 часа, колко часа трае митозата?
🧬 Синдром на Даун
Синдромът на Даун (тризомия 21) се среща приблизително при 1 от 700 новородени. Приемете, че в България се раждат около 56 000 деца годишно. Около колко деца със синдром на Даун се раждат всяка година?
🔬 Безсмъртните клетки HeLa
Клетките HeLa в култура се делят приблизително веднъж на денонощие. Колко клетки ще има след 30 дни, ако започнем с една и всички оцеляват?
🎲 Само бабините хромозоми
Каква е вероятността в яйцеклетка на една жена да попаднат само хромозомите, които тя е получила от своята майка (без кросинговър)? Отговорът запишете като „1 от N“ – намерете N.
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
8. ⚠️ Чести грешки
Удвояване = повече хромозоми
✗ След S-периода човешката клетка има 92 хромозоми.
✓ Има 46 хромозоми с по 2 хроматиди; ДНК е удвоена, хромозомите – не.
Интерфаза = покой
✗ В интерфазата клетката „почива“.
✓ Тогава тя расте, работи и удвоява ДНК си – това е най-дейният период.
Хомоложни = сестрински
✗ Хомоложните хромозоми са двете хроматиди на една хромозома.
✓ Сестринските хроматиди са копия; хомоложните хромозоми са от майката и от бащата.
Мейоза II
✗ Преди мейоза II ДНК се удвоява отново.
✓ Между мейоза I и II няма S-период.
Брой гамети
✗ Мейозата дава 2 гамети.
✓ Дава 4 клетки. При жените от тях става само 1 яйцеклетка, а останалото са малки полярни телца, които загиват.
Гаметите
✗ Гаметите на един човек са еднакви.
✓ Само от разпределението има милиона варианта, а кросинговърът добавя още.
9. 🎯 Бърз тест
В кой период на клетъчния цикъл се удвоява ДНК?
10. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
11. Обобщение
- ✓ Хромозомата след удвояване е от две сестрински хроматиди; хомоложните хромозоми са от майката и от бащата; при човека 2n = 46
- ✓ Клетъчен цикъл: G1 → S (удвояване на ДНК) → G2 → митоза → цитокинеза; повечето време клетката е в интерфаза
- ✓ Митоза: профаза, метафаза, анафаза, телофаза – две еднакви диплоидни клетки
- ✓ Мейоза: две деления, четири различни хаплоидни клетки; кросинговър и независимо разпределение – вида гамети
- ✓ Митотичен индекс и продължителност на фаза ≈ дял × цикъл
- ✓ Контролни точки, циклини, теломери; ракът е неконтролирано делене заради
💡 Интересен факт
Броят на хромозомите няма нищо общо със сложността на организма. Човекът има 46, картофът – 48, кучето – 78, а някои имат над 1000. Рекордьор сред животните е една малка синя пеперуда с около 450 хромозоми в клетките си. А мъжките мравки от вида Myrmecia croslandi имат само по една хромозома.