Rozmnožování buněk Vertikální přenos GI. KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek

Transkript

1 Rozmnožování buněk Vertikální přenos GI KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek

2 Buněčný cyklus Buňky vznikají z bb. a jedinou možnou cestou, jak vytvořit více bb. je jejich dělením. Vertikální přenos GI: B. (mateřská) se rozmnožuje uspořádaným sledem akcí, ve kterých zdvojí svůj obsah a pak se rozdělí na 2 bb. (dceřiné). Tento děj se nazývá buněčný cyklus a rozmnožují se jím všechny b. živé org. U jednobuněčných org. (např. bakterie, kvasinky) vzniká b. dělením celý nový org., ale pro vznik mnohob. org. je třeba mnoho b. dělení. Horizontální přenos dědičné informace (mezi jedinci téže generace), což je typické například pro bakterie.

3 Podstata buněčného cyklu Zkopírování genetické informace b. replikace DNA. Nejjednodušší a nejrychlejší je b. dělení u bakterií, protože obsahují 1 chromozom (20 min.). Cyklická molekula DNA je přichycena k plazmatické membráně i při její replikaci a následně se nový chromozom oddělí od původního. Mateřská b. následně zdvojnásobí svou velikost a rozdělí se na 2 nové dceřinné bb. binární dělení. B. stěna a plazmatická mem. se postupně vchlipují a rozdělí 1 b. na 2 bb. Tak mohou vznikat kolonie bakterií, které jsou geneticky shodné (klony) = příčné dělení.

4 Buněčné dělení eukaryotních bb. Je mnohem složitější, protože GI b. je rozdělena do mnoha chromozomů a má pravé jádro. Dělení jádra (karyokineze) = mitóza. Obsahují cytoplazmatické organely a cytoskeletální filamenty, které musí být zdvojeny a rovnoměrně rozděleny mezi 2 dceřinné bb. Tento proces se nazývá cytoplazmatické dělení = cytokineze. Meióza specializované b. dělení, kdy z diploidní b. haploidní gamety (vajíčka, spermie).

5 Buněčný cyklus Např. kvasinka se v ideálních podmínkách rozdělí za min., savčí b. za 24 hod. Fáze b. cyklu: G 1, S, G 2 a M. M fáze (mitóza+cytokineze 5-10 % cyklu) dělení jádra a b. rychlý průběh. Interfáze období mezi dvěma M-fázemi (G 1 - S-G 2 ). G 1 fáze (gap % cyklu) b. roste, syntéza RNA, bílkovin a tvorba organel (hlavní kontrolní bod b.c.), růst b. S fáze (50% cyklu) = syntéza replikace DNA. G 2 fáze růst b., tvorba sloučenin a organel ve dvojnásobném množství přípravná fáze (2. kontrolní bod b.c.).

6 M-fáze Postupná kondenzace chromozomů, které byly zreplikovány během S-fáze (2 kopie ch. zůstávají spojeny = sesterské chromatidy). Na konci G 2 -fáze začínají být chromozómy viditelné pod mikroskopem dlouhá vlákna. Přesné rozdělení chromozomů u živočichů se uskutečňuje mitotickým aparátem centrioly (centrozom) a dělící (mitotické) vřeténko (i rostliny). Centrioly (centrozom) stálá párová struktura b. uložená při povrchu jaderného obalu a je tvořena krátkými mikrotubuly. Dělící vřeténko (soustava mikrotubulů) vytváří se na začátku mitózy útvar kolem c. útvar aster. Zaniká po jejím ukončení. Cytokineze u živočichů je dokončena pomocí kontraktilního prstence konec mitózy v rovníkové poloze prstenec aktinu a myozinu stahuje cytoplazmatickou mem. a rozdělí b.

7 Dělení organel během mitózy Dochází nejen k rozdělení ch., ale i organel. Nejdůležitější organely jsou mitochondrie a chloroplasty nejprve růst vlastní dělení rozdělení do nových bb. Podobně je to i s membránovými organelami nová b. potřebuje aspoň část této původní organely, aby si vytvořila novou (GC, ER se rozpadají na fragmenty, které jsou rozděleny do nových bb.).

8 Mitóza Rozdělení replikovaných chromozomů a dokončení dělení jádra na 2 dceřinná. Chromozómy jsou dobře pozorovatelné pod mikroskopem z geneticky aktivní interfázní formy (nepozorovatelné) na geneticky neaktivní (pozorovatelné). 4 fáze mitózy: profáze, metafáze, anafáze a telofáze. Sesterské chromatidy se rozdělí a stávají se dceřinnými ch. v nových bb.

9 Profáze Rozdělení centriol (centrozomů) a jejich umístění proti sobě na pólech b.= póly vřeténka. Z mikrotubulů se vytváří dělící vřeténko (spotřeba ATP polymerují a depolymerují = dynamická nestabilita polární mikrotubuly). Jaderná membrána se rozpadá (fosforylace a rozpad j. laminy) a zaniká jadérko. Kondezace chromozomů viditelné zkrácení a mnohonásobná spiralizace a jejich navázání na mitotické vřeténko (kinetochorové mikrotubuly) pomocí proteinových komplexů kinetochor na speciální sekvenci DNA každé sesterské chromatidy centromeře.

10 Metafáze Chromozomy jsou rozprostřeny v centrální rovníkové rovině b. = metafázová destička. Jsou zde udržovány silami protichůdných mikrotubulů a vazbami mezi chromatidami. Ch. jsou nejlépe pozorovatelné (počet, morfologie). Na konci metafáze a začátku anafáze dochází k rozdělení centromer ch. Roztlak meristému kořínků Allium cepa

11 Anafáze Úplné rozdělení sesterských chromatid působením proteolytických e. a vznik dceřinných chromatid = chromozomů, které jsou taženy zkracujícími se vlákny dělícího vřeténka (depolymerace) k opačným pólům b. Počet ch. u každého pólu b. je shodný s počtem ch. mateřské b., ale jsou jednovlákné. Anafázi dělíme na anafázi A a B (polární mikrotubuly oddalují b. póly od sebe). Kořínky bobu obecného Roztlak meristému kořínků Allium cepa

12 Telofáze Roztlak meristému kořínků Allium cepa Zaniká dělící vřeténko, dceřinné ch. jsou v polární poloze a dekondenzují do tvaru tenkých vláken. Dochází k syntéze jaderných membrán kolem obou jader (fůze váčků jaderné mem., jaderné póry a jaderné laminy-defosforylace) a vzniku jadérek. Zahájení stejnoměrného rozmístění organel a cytokineze (rostliny a houby-vznik přepážky, živočichové-zaškrcení b.).

13 Cytokineze Mimo vzniku 2 nových jader se dělí i ostatní složky b. membrány, cytoskelet, organely a další látky (proteiny). To vše zahrnuje proces rozdělení cytoplazmy, který začíná v anafázi a pokračuje dále i po telofázi. Rovina rozdělení a časový průběh cytokineze závisí na mitotickém vřeténku.

14 Cytokineze živočišné b. Vytvoření přechodné struktury mikrotubulů kontraktilní prstenec. Kontraktilní prstenec aktin a myozin vlákna jsou navázána na vnitřní stranu cytoplazm. mem. a pohybují se proti sobě rýha. Nejprve se vytvoří dělící rýha na cytoplazm. mem. b. v rovníkové rovině b. stejně velké 2 b. Asymetrické dělení nestejné 2 b. diferenciace bb.

15 Cytokineze rostlinných bb. Odlišný mechanismus pevná b. stěna uvnitř b. vzniká nová stěna, která je obklopená cytoplazm. mem. Začíná se vytvářet mezi novými jádry během telofáze a je řízena útvarem fragmoplast zbytek polárních mikrotubulů mitotického vřeténka. Nová b. stěna se tvoří pomocí váčků GC naplněných polysacharidy a glykoproteiny diskovitý útvar s mem. + celulózové mikrofibrily = cytoplazm. mem. + buněčná stěna.

16 Pohlavní rozmnožování Nepohlavní rozmnožování bakterie, jednobuněčné org. jednoduché buněčné dělení. Vzniklé potomstvo je geneticky shodné s rodičovským org. Při pohlavním rozmnožování dochází k mísení genomů 2 jedinců a vzniklé potomstvo se liší od rodičů i mezi sebou navzájem výhoda většina rostlin i živočichů.

17 Proč vzniklo pohlavní rozmnožování? Mísení genů rodičů má své výhody i nevýhody, ale předpokládá se, že pomáhá org. přežít v nepředvídatelně se měnícím prostředí = velké množství různých potomků, velká pravděpodobnost přežití aspoň 1 potomka. Probíhá u diploidních org. (2 sady ch.- 1 po otci, 2. po matce) somatické bb. Zárodečné bb. gamety (1 sada ch., ale 2 druhy gamet). Živočichové velká nepohyblivá vajíčka a malé pohyblivé spermie. Tyto gamety vznikají z diploidních bb. speciálním b. dělením meióza.

18 Princip pohlavního rozmnožování Při pohlavním rozmnožování eukaryotních org. se střídají diploidní a haploidní generace bb.: 2n 1n. z diploidní specializované b. (2n=2 sady ch.- paternální homolog a maternál. h. duplikace ch.) - redukční dělení = meióza 1. homologní rekombinace hybridní ch. z obou rodičovských ch.

19 Meióza Následují vždy 2 po sobě dělení heterotypické (redukční d. rozdílné od mitózy) a homeotypické (ekvační d. shodné s mitózou). Pouze jednovaječná dvojčata z 1 zygoty jsou shodná. Jinak jsou sourozenci vždy různí 2 druhy náhodných genetických reorganizací: Náhodné rozdělení ch. do jednotlivých bb. během meiózy 2 n gamet (n= počet ch.). Homologní rekombinace zvýšení počtu různých gamet.

20 Heterotypické (redukční) dělení Rozdílná profáze, která je složitější než u mitózy a rozděluje se na: Leptotene spiralizace chromatinových vláken a diferenciace ch. Zygotene přikládání homologních ch. k sobě a jejich spojení (synapse zvláštní spojovací bílkovina) vznik párů homologních ch.-bivalenty. Pachytene pokračující spiralizací vzniklá tetrádastadium 4 chromatid-proplétání nesesterských chromatid (překřížení-chiazmata zlomy výměna části chromatid=crossing-over). Diplotene rozpuštění synaptického komplexu a postupné oddalování homologních ch. z bivalentu (ukončení crossing-overu). Diakineze volnému rozchodu brání chiazmata, která se vlivem odpudivých sil přesouvají ke koncům-terminalizace chiazmat. Rozpouští se j. mem. a formuje se vřeténko. Meióza: roztlak testes sarančat (Orthoptera)

21 Další rozdíly V heterotypické metafázi se vlákna dělícího vřeténka napojují na páry homolog. ch. v bivalentech. Synaptonemální komplex proteinová str. ze 3 paralelních vláken 2 laterální a 1 centrální element. Crossing-over překřížení (chiazma), zlomy a výměna částí sesterských chromatid. V anafázi se pak rozcházejí k pólům dělícího vřeténka jednotlivé dvouchromatidové ch. chromozomová disjunkce. V telofázi se u pólů b. seskupí chromozomy 1 z každého páru homologních ch. a mohou se nová jádra nebo následuje 2. meiotické d.

22 Homeotypické (ekvační) dělení Je prakticky shodné s mitózou, a probíhá s ch. složenými 2 chromatid. Následuje bezprostředně po dělení heterotypickém. Období mezi oběma děleními nazýváme interkineze. Celkově při meiotickém dělení dochází k 1 replikaci a následují 2 b. dělení vznikají 4 haploidní bb. (tetráda), které mají ch. s 1 chromatidou 4 gamety (1n). Roztěr prašník Lilium sp. Nondisjunkce: některé haploidní bb. postrádají určitý ch. a jiné mají tento ch. navíc abnormální gamety abnormální embryo (Downův syndrom trisomie 21. ch).