Gametogeneza

Jak powstają komórki jajowe i plemniki ?

Nasz materiał genetyczny, czyli DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) znajduje się w każdej komórce w jądrze komórkowym. Dzięki temu komórka posiada wszystkie niezbędne dla niej informacje związane z jej wzrostem, funkcjonowaniem i reakcją na bodźce, czynniki środowiskowe. Taki zestaw komórkowego DNA nazywamy genomem. DNA nie występuje w komórce samodzielnie, lecz jest połączone ze specjalnymi białkami, tzw. histonami, które nadają mu odpowiednią strukturę. W dużym uproszczeniu możemy powiedzieć, że nici DNA są nawinięte na histony jak na szpulkę tworząc tzw. nukleosomy (inaczej nici nukleosomowe, włókna nukleosomowe). W jądrze komórkowym oprócz DNA i histonów znajdują się jeszcze białka niehistonowe oraz niewielkie ilości RNA (kwasu rybonukleinowego) – wszystkie one razem tworzą chromatynę. Przez większą część życia komórki chromatyna znajduje się w tzw. postaci zdekondensowanej, czyli występuje w postaci długich, cienkich nici z zawijasami – nukleosomów. Dzięki temu wszystkie informacje zapisane w genach są „łatwo” dostępne dla białek, które je odczytują. Sytuacją, w której chromatyna ulega kondensacji jest podział komórki. Wtedy to możemy zauważyć, że chromatyna nie jest jedną długą nicią, lecz jest ona podzielona na odcinki. Każdy taki odcinek chromatyny dopiero po kondensacji, czyli takim zagęszczeniu, „ścieśnieniu się” przyjmuje charakterystyczny kształt litery X, którą mają chromosomy.

Reasumując – chromosomy w swojej skondensowanej formie ściśle upakowanej chromatyny takiej, jaką znamy ze zdjęć mikroskopowych i rysunków są widoczne w komórce tylko w czasie kiedy komórka się dzieli. W pozostałym okresie cyklu komórkowego chromosomy o kształcie litery X nie są dostrzegalne, gdyż chromatyna jest wtedy zdekondensowana, możemy potocznie powiedzieć, że nić nukleosomowa jest wtedy rozluźniona, rozpleciona.

Każdy gatunek ma swoją własną, charakterystyczną liczbę chromosomów.  Na przykład koty mają 38 chromosomów (19 par), psy 78 chromosomów (39 par), owce mają 54 chromosomy (27 par), a ludzie 46 chromosomów (23 pary). Jak wiele gatunków, ludzie są diploidalni, co oznacza, że ich chromosomy połączone są w pary, czyli 46 ludzkich chromosomów tworzy 23 pary. Komórki diploidalne oznaczamy na schematach jako 2n.

W tym 22 pary to tzw. chromosomy autosomalne, gdzie każdy chromosom pary jest homologiem drugiego chromosomu z pary. Chromosomy w parze nazywane są chromosomami homologicznymi gdyż są do siebie bardzo podobne. Mają ten sam kształt i rozmiar oraz znajdują się na nich informacje genetyczne dotyczące tej samej cechy, funkcji, białka itp. Innymi słowy mają te same geny, których położenie na każdym z chromosomów homologicznych jest też takie samo. Ale co ważne – ten sam gen nie oznacza, że zapisana informacja na obu chromosomach z pary jest taka sama. Pamiętajmy, że jeden chromosom z pary to ten odziedziczony po matce, a drugi po ojcu. A więc możemy mieć różne warianty tego samego genu. Przykładem może być grupa krwi – na jednym chromosomie homologicznym możemy mieć zapisaną grupę krwi A, a na drugim chromosomie z tej pary grupę krwi B (mamy wtedy grupę krwi AB). Oba chromosomy zawierają więc informację genetyczną dotyczącą tej samej cechy – grupy krwi, ale geny nie są jednakowe, tylko występują w 2 różnych wariantach – A i B. Może oczywiście być też tak, że mamy ten sam wariant genu na obu chromosomach, np. grupę krwi B.
Natomiast 23. para chromosomów stanowi wyjątek – te chromosomy nie są prawdziwymi homologami. Jest to para chromosomów płciowych (inaczej allosomalnych), w przypadku kobiety mamy 2 chromosomy X (XX), a w przypadku mężczyzny 1 chromosom X i 1 chromosom Y (XY). W tych chromosomach tylko niewielka część to regiony podobne, na których znajdują się te same geny (są to geny związane z rozmnażaniem i powstawaniem, dzieleniem się komórek płciowych). Poza tymi genami pozostałe obszary informacji genetycznej na chromosomach X i Y są różne, kodują one tzw. cechy sprzężone z płcią (np. hemofilia, daltonizm). 

Takie zestawy 23 par chromosomów znajdują się w każdej komórce ludzkiego organizmu. Wyjątek stanowią gamety płciowe (komórki jajowe i plemniki), które są haploidalne (oznaczamy je na schematach jako n) i mają po 23 chromosomy (po jednym chromosomie z każdej pary). Dzięki temu po zapłodnieniu (połączeniu się komórki jajowej z plemnikiem) powstaje zygota, która jest już komórką diploidalną i z niej po kolejnych podziałach komórkowych powstanie nowy organizm. Zygota posiada połączony z obu komórek płciowych materiał genetyczny (połowa od matki, połowa od ojca).

W jaki sposób dzielą się komórki?

Aby nasz organizm mógł rosnąć, rozwijać się i regenerować jego komórki muszą ulegać podziałom, czyli muszą powstawać nowe komórki.

Komórka, aby mogła się podzielić musi przejść przez kolejne etapy:

• musi urosnąć
• musi powielić (zduplikować, podwoić) swój materiał genetyczny, aby połowę przekazać kolejnej komórce
• musi fizycznie podzielić się na 2 komórki potomne

Wszystkie te procesy to seria dobrze zorganizowanych etapów zachodzących po sobie, czyli tzw. cykl komórkowy. Co więcej, wszystkie procesy w cyklu komórkowym nieustannie się powtarzają, zawsze w tej samej, określonej kolejności, czyli powstałe po podziale komórki potomne rosną, powielają swój materiał genetyczny i znów się dzielą. W komórkach eukariotycznych (czyli posiadających jądro komórkowe), cykl komórkowy składa się z dwóch faz głównych: interfazy i mitozy.

• podczas interfazy komórka przygotowuje się do podziału – rośnie i kopiuje swój materiał genetyczny (DNA)
• podczas mitozy następuje podział komórki (jej cytoplazmy, organelli komórkowych i DNA na dwa zestawy tworząc dwie nowe komórki)

Interfaza, czyli przygotowanie do podziału odbywa się w 3 etapach:

• faza G1 – następuje wzrost masy i objętości komórki, intensywna synteza białek strukturalnych i regulatorowych
• faza S – komórka produkuje w swoim jądrze pełną kopię DNA (podwaja materiał genetyczny), czyli następuje tzw. replikacja genomu oraz zachodzi synteza histonów
• faza G2 – komórka dalej rośnie,  produkuje białka wrzeciona podziałowego, białka niehistonowe (niezbędne w kondensacji chromatyny), białka i lipidy niezbędne do odtworzenia błony komórkowej oraz następuje podział organelli samoreplikujących się (mitochondria)

Gdy komórka jest gotowa do podziału kończy się faza G2 i rozpoczyna się mitoza, która składa się z 2 procesów:

• kariokinezy – podział jądra komórkowego (materiału genetycznego)
• cytokinezy – podział cytoplazmy 

W wyniku tych procesów z każdej komórki powstają dwie komórki potomne identyczne genetycznie.

Jak dokładnie przebiega mitoza?

Profaza – jest to pierwsza faza podziału mitotycznego komórki. Pamiętamy, że komórka przygotowała się już do podziału – ma podwójną ilość DNA (oznaczamy to jako 4c DNA). Chromatyna zaczyna się kondensować i tworzy pałeczkowate struktury w kształcie litery X zwane chromosomami. Chromosomy składają się z dwóch jednakowych części, czyli chromatyd siostrzanych, które połączone są ze sobą centromerem. Możemy je zaobserwować tylko w trakcie podziału komórki, kiedy następuje kondensacja podwojonej ilości DNA. W tej fazie rozpoczyna się również tworzenie wrzeciona kariokinetycznego (podziałowego), czyli takiej specjalnej struktury zbudowanej z mikrotubul, która ułatwi prawidłowy podział materiału genetycznego. Na każdej chromatydzie siostrzanej powstają kinetochory, czyli miejsca łączenia się mikrotubul wrzeciona podziałowego z chromatydą.

Metafaza