Genetică generală - lucrări practice

1. Ciclul celular mitotic

În diviziunea celulară se disting două categorii de evenimente: evenimente reproductive, prin care sunt dublate structurile funcţionale ale celulei, esenţială fiind dublarea cromosomilor, şi evenimente distributive, prin care materialul rezultat în urma replicaţiei este repartizat celulelor fiice (Tudose, 1992).

Mitoza (gr. mitosis = fir) sau diviziunea ecvaţională, este modalitatea de diviziune celulară prin care, dintr-o celulă somatică rezultă două celule fiice cu număr egal de cromosomi, atât între ele, cât şi cu celula mamă. Mitoza este diviziunea celulară care are loc în celule somatice şi asigură transmiterea fidelă a caracterelor la celulele fiice; ea poate suferi însă, diferite influenţe care adaugă aparentei stabilităţi a caracterelor, noi valenţe. Ciclul celular mitotic, la plante şi animale, cuprinde în principal următoarele procese: duplicarea cromosomilor unicromatidici (şi a centrozomului la animale) şi deplasarea spre poli a cromosomilor fii, după care, urmează diviziunea citoplasmei. În procesul mitozei se organizează aparatul mitotic alcătuit din structuri cromatice şi acromatice, care este complet în metafază. Pentru realizarea acestuia, sunt necesare proteine specifice, a căror sinteză necesită un mare consum de energie.

Totalitatea proceselor prin care trece celula somatică de la formare şi până la scindarea ei în două celule fiice, cu număr de cromosomi egal cu numărul de cromosomi al celulei din care au provenit, alcătuiesc ciclul celular.

Ciclul mitotic (Fig.1) cuprinde: interfaza (perioada dintre două diviziuni succesive) şi cele patru faze ale diviziunii mitotice propriu-zise - profaza, metafaza, anafaza şi telofaza având o durată variabilă, în funcţie de specie, tipul de celule, temperatură etc., de la câteva ore, la zeci şi sute de ore.

Interfaza

Interfaza are cea mai mare durată în timp în ciclul mitotic şi este caracterizată de procese de biosinteză. Durata interfazei este variabilă, de la câteva ore până la zile. La plante, la un ciclu tipic de 20-24 de ore, mitoza durează 70-110 minute (profaza = 30 - 45 min., metafaza = 5 - 10 min., anafaza = 15 - 20 min. şi telofaza = 20 - 30 min.) (Toma şi Niţă, 1995). La celula animală, un ciclu tipic durează 18 - 24 de ore, din care durata fazei G1 este de aproximativ 6 ore (în general variază cel mai mult), faza S (timpul necesar replicării genomului) durează 6 - 8 ore, iar faza G2 este, de regulă, cea mai scurtă (mai ales când mitozele se succed rapid). Mitoza, de obicei durează mai puţin de o oră (Lewin, 1994).

Cercetările microfotografice şi microradiografice au demonstrat că interfaza este foarte puţin activă din punct de vedere morfologic, dar este cea mai activă din punct de vedere metabolic; cantitatea de ADN se dublează de la 2C la 4C. Pe baza acestor observaţii, Howard şi Pelc, în 1953 au împărţit interfaza în trei perioade:

- perioada G1 (engl. gap = gol) – perioadă presintetică, în care nu are loc sinteza de ADN, ci doar o activare a enzimelor. Cromosomii sunt monocromatidici; se sintetizează ARN (în special ARNm) şi proteine;

- perioada S (engl. synthesis = sinteză) – perioada de sinteză a ADN; până la sfârşitul fazei S toată cantitatea de ADN se replică (pe parcursul fazei S cantitatea totală de ADN creşte de la 2C la 4C). La sfârşitul acestei perioade, cromosomii sunt alcătuiţi din două cromatide foarte lungi şi subţiri;

- perioada G2 – perioadă postsintetică, când sinteza ADN se opreşte; are loc biosinteza proteinelor şi a ARN, care se desfăşoară şi în celelalte perioade ale interfazei. Celula conţine cromosomi bicromatidici.

Fig. 1. Ciclul celular mitotic (după Alberts şi colab., 1994)

Pe parcursul interfazei (Fig.2), cromosomii sunt hidrataţi, despiralizaţi şi nu se observă la microscopul optic (Watson, 1974).

Fig. 2 Aspectul nucleului în interfază, în celulele meristemului radicular la Allium cepa L. (2n=16) (după Hartl şi Jones, 1998)

În afară de celulele la care ciclul mitotic se desfăşoară în mod normal, există celule în repaus sau în perioada G0, asemănătoare fazei G1, dar diferită prin faptul că celulele nu pot intra în faza S. În faza G0 intră celulele neproliferative. Uneori, celulele se pot afla în repaus în faza 4C (exemplu: celulele embrionare din seminţe), astfel încât, intră direct din G0 în G2; alteori, din G0 pot intra în G1 timpuriu (Lewin, 1994).

În explicarea cauzelor ce determină intrarea celulei în diviziune mitotică (trecerea din G2 în mitoză) există diferite ipoteze. Se pare că declanşarea mitozei este determinată de modificarea raportului nucleu / citoplasmă.

Profaza

În profază au loc procesele: mărirea volumului nucleului, condensarea cromosomilor, stabilirea polilor pentru diviziune, dezorganizarea membranei nucleare, dispariţia nucleolilor şi formarea fusului acromatic.

La începutul acestei faze, cromosomii se prezintă sub formă de filamente subţiri, lungi, alcătuind un spirem. În profaza timpurie (Fig.3) ei se dispun în tot spaţiul nuclear (în celulele vii se observă uşor, având indicele de refracţie 1,50 faţă de cel al carioplasmei de 1,37). În profaza târzie (Fig.4), gradul de spiralizare al cromosomilor creşte şi ei devin mai scurţi şi mai compacţi, apărând formaţi din două cromatide, foarte apropiate între ele şi înfăşurate una în jurul celeilalte. La începutul profazei, are loc o primă spiralizare a cromosomilor denumită “spiralizarea mică”, ce se realizează prin micşorarea numărului de spire şi mărirea diametrului lor. Spre sfârşitul profazei, are

diviziunea

mitotică

interfaza

celule

loc a doua spiralizare denumită “spiralizare somatică”, în care numărul de spire continuă să scadă, ele apropiindu-se tot mai mult.

În profază, distanţa dintre cromosomi creşte treptat şi are loc dezorganizarea nucleului şi a membranei nucleare, dispariţia nucleolilor şi formarea fusului mitotic. Centriolii migrează spre polii celulei, plasându-se în două puncte opuse. Între centrioli se organizează fusul de diviziune (fus acromatic, fus mitotic sau fus nuclear), alcătuit dintr-un număr mare de filamente, cu extremităţile inserate pe centrioli. Fusul nuclear este un organit tranzitoriu, cu ajutorul căruia se realizează distribuirea egală a cromosomilor în cele două celule fiice. Filamentele fusului de diviziune sunt de două tipuri: filamente fusoriale de sprijin (continue) de la un centriol la altul ce condiţionează structura fusului şi filamente cromosomiale (kinetice), care sunt sintetizate şi pleacă de la centromerul fiecărui cromosom şi înaintează simultan, cu aceeaşi viteză, spre cei doi poli ai celulei.