GENETIKA (2)

Reprodukcija ćelija

U prošlom broju pisali smo o položaju i građi DNK i RNK lanca, njihovoj funkciji i značaju. Kako, međutim, izgledaju tipovi ćelija u organizmu, šta je to hromozomski set, a šta replikacija DNK molekula i ćelijski ciklusi, govorimo u ovom broju...

Piše Srđan Udovički

Organizam sisare, poznato je, smatra se najsavršenijim oblikom života. Ćelije ovih organizama su visoko diferencirane pa se ćelije sisara dele na somatske (telesne) i polne (germinativne).

Somatske ćelije nose ime po tkivu, odnosno organu čije su one strukturne i funkcionalne jedinice. Ove ćelije razmnožavaju se putem proste deobe - mitoze.

Germinativne ćelije mogu biti spermatociti (nezreli spermatozoidi) i oogenije (nezrele jajne ćelije). Ove ćelije nastaju deobom germinativnih tkiva testisa i jajnika (ovarijuma). Proces deobe germinativnih tkiva naziva se gametogeneza i on je izuzetno složen i sastoji se iz dva dela: deobe germinativnih tkiva i sazrevanja deobom nastalih ćelija, tj, mejoze, koji su ključni za reprodukciju.

Reprodukcija je, po definiciji iz udžbenika "Biologija za humanom genetikom", fundamentalna karaktersitika života koja predstavlja širenje žive materije u prostoru i vremenu. Osnovni značaj reprodukcije je prenos genetske informacije sa roditelja na potomstvo. Međutim, ovde nije reč samo o organizmima već i o ćelijama.

Dakle, da bi ćelija normalno funkcionisala ona mora da sadrži genetski materijal istovetan ćeliji od koje je nastala. Prilikom deobe ćelija tzv. majka (matična) ćelija deli se na dve ćerke ćelije. Novi organizam, nastaje spajanjem germinativnih ćelija. Osnovne odlike germinativnih ćelija jeste sposobnost  formiranja novog života i dvostruko manji broj hromozoma, tj, hromozomskog seta. Ali, kakav je to set?

Hromozomski set je predstavljen određenim brojem homologih hromozoma karakterističnim za svaku vrstu. Homologi hromozomi su parovi hromozoma koji nose genske lokuse za iste osobine, a poreklom su od roditelja (jedan od majke, drugi od oca).

Celokupni genetski materijal sisara nalazi se u nukleo plazmi jedra, u vidu hromozomskog seta. Svaka ćelija organizma (izuzev spermatocita i oogonija koje imaju polovinu seta) sadrži celokupan hromozomski set identičan u svakoj ćeliji. Pošto se organizam stalno obnavlja, potrebno je da se ćelije stalno stvaraju (razmnožavaju). Jedino ćelije mozga i mišića ne podležu mitozi, odnosno prostoj ćelijskoj deobi. Ali, pre same deobe neophodno je da se hromozomski set udvoji kako bi novonastale ćelije imale identičan hromozomski set. Proces udvajanja (replikacije) DNK molekula odigrava se u interfazi podfaza S. Ova faza se naziva i ćelijsko mirovanje i predstavlja prvu i najznačajniju fazu mitoze. Nakon interfaze dolazi do deobe koja se odvija u četiri faze: profaza, metafaza, anafaza i telofaza.

MITOZA

Mitoza započinje interfazom. Sama interfaza podeljena je u tri podfaze: G.I. tokom koje se sintetišu svi potrebni enzimi, S kada se replicira DNK, iG.2 tokom koje se vrše pripreme za deobu.

Podfaza S je ključni i najsloženiji proces. Ovaj proces kontrolišu brojni enzimi čiji je zadatak stvaranje dva identična lanca DNK. Svojstvo replikacije je da svaki lanac DNK služi sam sebi kao model (matrica) za sintezu novog lanca. Prvo dolazi do kidanja veza među nukleotidima (bazama) koje počinje na određenim mestima koja nazivamo inicijalna mesta.  Za ta inicijalna mesta vezuju se polimeraza RNK-početnica i tako "markira" inicijalno (startno) mesto. Raskidanje veze (despiralizacija) započinje na suprotnim krajevima lanca. Jedan lanac se despiralizuje "odozgo", a drugi "odozdo". Kada se u ribozomima katalizuju komplementarni nukleotidi, enzim nukleaza iseca RNK-početnicu. Nukleotidi se postave nasuprot svojih komplemenata i tada ih enzim DNK-polimeraza 3 međusobno poveže. Postavljanje baza (nukleotida) kontroliše DNK-polimeraza I.

U početku, vladalo je mišljenje da se replikacija odvija od jednog ka drugom kraju lanca. Međutim, japanski naučnik Okasaki je dokazao da bi u tom slučaju za replikaciju trebalo mnogo više vremena od onog koje ćelija ima na raspolaganju. Daljim eksperimentima ovaj naučnik je dokazao da replikacija istovremeno počinje na više mesta na istom lancu. Mesta na kojima započinje replikacija nazvana su replikoni, a delovi između dva replikona Okasaki fragmenti.

Nakon replikacije, Okasaki fragmente u lanac povezuje enzim ligaza. Sem enzima neposredno uključenih u repikaciju prisutni su i brojni enzimi koji posle replikacija proveravaju ispravnost lanca i popravljaju eventualne greške. Po završetku interfaze ćelija je spremna za deobu kada i sledi naredna faza.

PROFAZA

Kod ove faze dolazi do spiralizacije (skraćenja) hromozoma zbog gubitka vode. U blizini jedra pojavljuju se centrioli deobnog vretena. Sredinom faze centrioli kreću ka polovima ćelije formirajući između sebe niti deobnog vretena. Pred kraj faze razgrađuje se jedrova opna, a sadržaj se rasipa u citoplazmu.

METAFAZA

Duplirani hromozomi se postavljaju u centralnu ravan. Deobno vreteno je završilo formiranje i hromozomi se povezuju za niti deobnog vretena.

ANAFAZA

Duplirani hromozomi se razdvajaju. Niti deobnog vretena počinju da se razdvaju povlačeći hromozome ka polovini ćelije.

TELOFAZA

Hromozomi su na polovima ćelije. Deobno jezgro se razgrađuje. Formiraju se dva nova jedra oko hromozoma. Na ćelijskoj membrani započinje formiranje deobnog useka koji deli membranu na dve jednake membrane.

Ovaj način replikacije, kada jedan lanac služi kao matrica za stvaranje drugog identičnog lanca, zove se semikonzervativan (polukonzervativan). Dokaz za semikonzervativnost otrkili su Meselson i Stahl. Oni su bakterije gajili na podlozi koja je sadržala izotop azota N 14. Kada su sve bakterije imale obeležen hromozomski materijal sa N 14, preneli su ih na podlogu koja je sadržala izotop N 15. Nakon jedne deobe izvršili su kontrolu. Sve bakterije su imale jedan lanac DNK obeležen sa N 14, a drugi sa N 15.

GERMINATIVNE ĆELIJE

Germinativne ćelije razvijaju se iz germinativnog tkiva testisa i ovarijuma procesom gematogeneze. Pri tom procesu iz nediferenciranih germinativnih tkiva nastaju visoko diferencirane ćelije-gameti (spermatozoidi i jajne ćelije).

Gameti su zadržali sposobnost totipotentnosti (sposobnost da se od njih razviju bilo koje ćelije organizma) i sposobnost formiranja novog organizma. Međusobnim spajanjem gameta nastaje zigot od koga, daljom deobom, nastaje novi organizam. Zato je od velike važnosti da gameti imaju samo polovinu seta jer bi se u suprotnom razvio organizam sa duplim brojem hromozoma. Recimo, ako bi gameti umesto 23 para hromozoma (koliko imaju gameti ljudi) imali 46 (kompletan set), nastao bi organizam sa 92 umesto 46 para hromozoma.

GAMETOGENEZA

Gametogeneza se sastoji od tri faze: razmnožavanja, rasta i sazrevanja germinativnih ćelija.

FAZA RAZMNOŽAVANJA

Od germinativnih tkiva putem mitoze nastaju ćelije nazvane gonije-spermatogonije i oogonije. Gonije su slične kod oba pola i imaju krupna elipsoidna ili okrugla jedra. Sadrže diploidan broj hromozoma (2n) kao i somatske ćelije.

FAZA RASTA

Dolazi do povećanja gonija i diferencijacije na spermatozoide i oocite.

FAZA SAZREVANJA

Posle faze rasta primarne oocite i spermatocite ulaze u fazu sazrevanja koja se sastoji od dve deobe. Ceo proces naziva se mejoza. Prva deoba je redukciona i prilikom nje se diploidni (2n) broj hromozoma smanjuje na gaploidni (n). Druga deoba je ekvaciona, tzv. izmenjena mitoza.

MEJOZA

Profaza mejoze najduži je i najznačajniji proces. Sastoji se od pet podfaza.

1. Lepoten (leptonema). Na početku hromozomi bivaju vidljivi kao fini konci da bi se kasnije spiralizovali. Potom postaju deblji pa se mogu lako videti pod mikroskopom. Na hromozomima se zapažaju oblasti povećane spiralizacije - hronomere. Njihov broj, veličina i položaj  su konstantni sa homologim hromozomima.

2. Zigoten (zigonema). Homologi hromozomi se još više skraćuju, parovi približavaju i počinju da konjugiraju (spajaju se). To spajanje često počinje na krajevima kojima su hromozomi spojeni sa membranom i nastavlja se celom dužinom hromozoma. Proces se naziva sinapsis, a tako spojeni hromozomi nazivaju se bivalentni (spojeni homologi hromozomi). Zbog toga što su hromozomi priljubljeni, stiče se utisak da im se broj smanjio, pa se ova pojava naziva lažna redukcija.

3. Pahiten (pahinema). Hromozomi se još više skraćuju i zadebljavaju usled kondezacije. Pažljivim posmatranjem primećuje se da se svaki član homologog para sastoji od dve hromatide - formiraju se tetrade.

4. Diploten (diplonema). Homologi hromozomi počinju da se odvajaju. Sada se jasno uočavaju četiri hromatide (tetrade). Odvajanje nije poptuno; homologi hromozomi ostaju spojeni na određenim tačkama koje se nazivaju hijazme i predstavljaju mesta crossing over-a (prekrštanja).

5. Dijakinezis. Ova faza se neznatno razlikuje od prethodne. Hromozomi se i dalje kondenzuju, hijazme zauzimaju terminalan položaj, pomeraju se ka polovima ćelije. Membrana jedra počinje da se dezintegriše.

METAFAZA

Membrana jedra potpuno iščezava, obrazuju se segmetaciono vreteno, a bivalenti se, još uvek spojeni na hijazmama, postavljaju u ekvatorijalnu ravan. Bivalenti sadrže po dve nepodeljene centromere, po jednu za svaki homologi hromozom.

ANAFAZA

Hromozomi se odvajaju u hijazmama ali ne dolazi do podele centromere i celi hromozomi (dijade) kreću se ka suprotnim polovima ćelije. Na ovaj način se diploidni (2n) broj hromozoma redukuje na haploidni (n), međutim količina DNK je još uvek diploidna, pošto se svaki hromozom sastoji od dve hromatide.

TELOFAZA

Dolazi do rekonstrukcije haploidnih jedara, nastaju dve sekundarne spermatocite.

DRUGA (EKVACIONA) DEOBA

Profaza druge deobe traje kratko i brzo dolazi do metafaze. Jedrova opna iščezava, obrazuje se segmentaciono (deobno) vreteno i hromozomi se postavljaju u ekvatorijalnu ravan. Anafaza počinje deobom centromera svakog hromozoma, hromatide se odvajau i kreću ka polovima ćelija. Za vreme telofaze nastaju četiri ćelije. Svaka ćelija dobija četvrtinu količine DNK koju je imala primarna spermatocita. Znači, primarna spermatocita imala je diploidan set (2n), a od nje su nastale četiri spermatide sa haploidnim (n) setom hromozomskog materijala.

ZNAČAJ MEJOZE

Putem mejoze diploidan broj hromozoma redukuje se na haploidan, a to obezbeđuje stalan broj hromozoma karakterističan za vrstu. Mejoza dovodi do genetičke raznovrsnosti jer se stvaraju gameti sa različitiom naslednom osnovom putem odvajanja homologih hromozoma od kojih je jedan poreklom od majke, a drugi od oca i njihovom slučajnom distribucijom u jednu od četiri nastale ćelije i putem crossing over-a, tj. rekombinacije segmenata homologih hromozoma.

(Ilustracije iz knjige "Biologija sa humanom genetikom" i na osnovu mikroskopskih preparata Veterinarskog fakulteta u Beogradu)

Natura broj 23 (mart 2001)

Natura Online (6.12.2009)