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

След удвояването на ДНК всяка хромозома е изградена от две еднакви сестрински хроматиди, свързани в центромерата. Хомоложните хромозоми са двойка – една от майката, една от бащата – с едни и същи гени на едни и същи места. Диплоидната клетка (2n) има по две хромозоми от всяка двойка; хаплоидната (n) – по една. При човека 2n = 46 (23 двойки, от тях една двойка полови хромозоми – XX или XY), а гаметите са с n = 23.

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: $8 \cdot 2 = 16$ хроматиди.
Хомоложните двойки са $\frac{8}{2} = 4$ .

2. Клетъчният цикъл

Клетъчен цикъл

Животът на клетката от едно делене до следващото. Интерфаза: G1 – клетката расте и работи; S – ДНК се удвоява (синтез); G2 – клетката се подготвя за делене. M-фаза: митоза (делене на ядрото) и цитокинеза (делене на цитоплазмата). Клетките, които вече не се делят (повечето нервни и мускулни клетки), излизат от цикъла в покой – G0.

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

Митотичен индекс =

\frac{\text{брой клетки в митоза}}{\text{общ брой клетки}} \cdot 100\%

. Ако клетките се делят несинхронно, продължителността на една фаза ≈ (дял на клетките в нея) × (продължителност на цикъла).

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)

хромозоми2n = 4ДНК2c

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

Профаза – хромозомите се спирализират, ядрената обвивка се разпада, образува се делителното вретено. Метафаза – хромозомите се подреждат в екваториалната равнина, а вретеното се закачва за центромерите им. Анафаза – сестринските хроматиди се разделят и отиват към полюсите. Телофаза – около всяка група се образува ядро, хромозомите се разпускат. Цитокинезата разделя цитоплазмата: при животните с бразда, при растенията с клетъчна пластинка.

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

Две последователни деления след едно удвояване на ДНК. Мейоза I (редукционно делене): хомоложните хромозоми се долепват, разменят участъци (кросинговър), подреждат се по двойки в екватора и се разделят – получават се две хаплоидни клетки. Мейоза II (като митоза): сестринските хроматиди се разделят. От една диплоидна клетка се получават четири хаплоидни, генетично различни клетки.

	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.

n = 33

двойки хромозоми3гамети8зиготи от една двойка родители64

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 $n + 1$ , другата $n - 1$ хромозоми.
След мейоза II всички четири гамети са анормални: две с $n + 1$ и две с $n - 1$ .
Ако гамета с $n + 1$ се слее с нормална, зиготата има $2n + 1$ – 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

Ракът е болест, при която клетки се делят неконтролируемо, защото мутации са повредили гените, които управляват цикъла: „газта“ (протоонкогени, които стимулират делението) е заседнала натисната, а „спирачките“ (туморни супресори, напр. p53) не работят. Повредени клетки, които не могат да бъдат поправени, нормално се самоунищожават (апоптоза) – туморните клетки често избягват и това.

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.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

30\ /\ 200

30 от 200 клетки са в митоза. Митотичен индекс, %?

7. Делението в числа

0 / 6

👶 От една клетка до цял човек

В тялото на възрастен човек има около $3 \cdot 10^{13}$ 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 $\displaystyle 2^{23} \approx 8{,}4$ милиона варианта, а кросинговърът добавя още.

9. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

В кой период на клетъчния цикъл се удвоява ДНК?

Избери отговор (или натисни 1–4)

10. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

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 – $2^n$ 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.