Reproducerea celulelor - Diviziunea celulară - ADN genomic

Figura 10.1 Un arici de mare își începe viața ca o singură celulă diploidă (zigot) care (a) se divide prin diviziunea celulară pentru a forma două celule fiice identice genetic, vizibile aici prin microscopia electronică cu scanare (SEM). După patru runde de diviziune celulară, (b) există 16 celule, așa cum se vede în această imagine SEM. După multe runde de diviziune celulară, individul se dezvoltă într-un organism complex, multicelular, așa cum se vede în acest (c) arici de mare matur.

Un om, ca orice organism care se reproduce sexual, începe viața ca un ou fecundat (embrion) sau zigot. În specia noastră, miliarde de diviziuni celulare trebuie să aibă loc ulterior într-o manieră controlată pentru a produce un om complex, multicelular, cuprinzând trilioane de celule. Astfel, zigotul unicelular original este literalmente strămoșul tuturor celulelor din organism. Cu toate acestea, odată ce un om este complet crescut, reproducerea celulară este încă necesară pentru a repara și regenera țesuturile și, uneori, pentru a ne crește dimensiunea! De fapt, toate organismele multicelulare folosesc diviziunea celulară pentru creștere și întreținerea și repararea celulelor și țesuturilor. Diviziunea celulară este strâns reglementată, iar eșecul ocazional al acestei reglementări poate avea consecințe care pun viața în pericol. Organismele unicelulare pot folosi, de asemenea, diviziunea celulară ca metodă de reproducere.

Diviziunea celulară

Continuitatea vieții de la o celulă la alta își are fundamentul în reproducerea celulelor prin intermediul ciclului celular. Ciclul celular este o secvență ordonată de evenimente care descrie etapele vieții unei celule de la diviziunea unei singure celule părinte până la producerea a două noi celule fiice identice genetic.

ADN genomic

Înainte de a discuta pașii pe care trebuie să-i facă o celulă pentru a-și replica și împărți ADN-ul, este necesară o înțelegere mai profundă a structurii și funcției informațiilor genetice ale unei celule. ADN-ul unei celule, ambalat ca o moleculă de ADN dublu catenar, se numește genomul său. La procariote, genomul este compus dintr-o moleculă de ADN simplu, dublu catenar, sub forma unei bucle sau cerc (Figura 10.2). Regiunea din celulă care conține acest material genetic se numește nucleoid. Unele procariote au, de asemenea, bucle mai mici de ADN numite plasmide, care nu sunt esențiale pentru creșterea normală. Bacteriile pot schimba aceste plasmide cu alte bacterii, uneori primind noi gene benefice pe care beneficiarul le poate adăuga la ADN-ul cromozomial al lor. Rezistența la antibiotice este o trăsătură care se răspândește adesea printr-o colonie bacteriană prin schimbul de plasmide de la donatorii rezistenți la celulele primitoare.

Figura 10.2 Procariotele, inclusiv bacterii și arhee, au un singur cromozom circular situat într-o regiune centrală numită nucleoid.

La eucariote, genomul este format din mai multe molecule de ADN linear dublu catenar (Figura 10.3). Fiecare specie de eucariote are un număr caracteristic de cromozomi în nucleele celulelor sale. Celulele (somatice) ale corpului uman au 46 de cromozomi, în timp ce gameții umani (sperma sau ovule) au 23 de cromozomi fiecare. O celulă tipică a corpului conține două seturi de cromozomi potriviți sau omoloage (un set de la fiecare părinte biologic) – o configurație cunoscută sub numele de diploid. (Notă: litera n este folosită pentru a reprezenta un singur set de cromozomi; prin urmare, un organism diploid este desemnat 2n.) Celulele umane care conțin un set de cromozomi sunt numite gameți sau celule sexuale; acestea sunt ovule și spermatozoizi și sunt desemnate ca 1n sau haploide.

La fertilizare, fiecare gamet contribuie cu un set de cromozomi, creând o celulă diploidă care conține perechi de cromozomi potrivite numite cromozomi omologi („aceleași cunoștințe”). Cromozomii omologi au aceeași lungime și au segmente de nucleotide specifice numite gene în exact aceeași locație sau locus. Genele, unitățile funcționale ale cromozomilor, determină caracteristici specifice prin codificarea unor proteine specifice. Trăsăturile sunt variațiile acelor caracteristici. De exemplu, culoarea părului este o caracteristică cu trăsături care sunt blond, maro sau negru și multe culori între ele.

Figura 10.3 Există 23 de perechi de cromozomi omologi într-o celulă somatică umană feminină. Cromozomii condensați sunt priviți în nucleu (sus), îndepărtați dintr-o celulă în timpul mitozei (numit și cariokineză sau diviziune nucleară) și răspândiți pe o lamă (dreapta) și aranjați artificial în funcție de lungime (stânga); un astfel de aranjament se numește cariotip. În această imagine, cromozomii au fost expuși la pete fluorescente pentru diferențierea diferiților cromozomi. O metodă de colorare numită „vopsirea cromozomilor” folosește coloranți fluorescenți care evidențiază cromozomii în diferite culori.

Fiecare copie a unei perechi omoloage de cromozomi provine de la un părinte diferit; prin urmare, diferitele gene (alele) în sine nu sunt identice, deși codifică aceleași trăsături, cum ar fi „culoarea părului”. Variația indivizilor în cadrul unei specii se datorează combinației specifice a genelor moștenite de la ambii părinți. Chiar și o secvență ușor modificată de nucleotide într-o genă poate duce la o trăsătură alternativă. De exemplu, există trei secvențe de gene posibile pe cromozomul uman care codifică tipul de sânge: secvența A, secvența B și secvența O. Deoarece toate celulele umane diploide au două copii ale cromozomului care determină grupa sanguină, tipul de sânge (trăsătura) este determinat de cele două alele ale genei marker care sunt moștenite. Este posibil să existe două copii ale aceleiași secvențe de gene pe ambii cromozomi omologi, cu câte una pe fiecare (de exemplu, AA, BB sau OO) sau două secvențe diferite, cum ar fi AB, AO sau BO.

Aparent variații minore ale trăsăturilor, cum ar fi tipul de sânge, culoarea ochilor și mâna, contribuie la variația naturală găsită în cadrul unei specii, dar chiar dacă par minore, aceste trăsături pot fi legate de expresia altor trăsături încă necunoscute. Cu toate acestea, dacă se compară întreaga secvență de ADN din orice pereche de cromozomi omologi umani, diferența este mult mai mică de unu la sută. Cromozomii sexuali, X și Y, sunt singura excepție de la regula uniformității cromozomilor omologi: în afară de o cantitate mică de omologie care este necesară pentru a produce cu precizie gameți, genele găsite pe cromozomii X și Y sunt diferite.