SEMINARSKI RAD IZ BIOLOGIJE
< |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ĆELIJSKA REPRODUKCIJA, ĆELIJSKI CIKLUSSvi organizmi se sastoje od ćelija koje se umnožavaju deobom. Odrasla
osoba ima oko 100 000 biliona ćelija koje su nastale od jedne jedine oplođene
jajne ćelije. Kod odraslih osoba postoji i veliki broj konstantno dijelećih
ćelija koje zamjenjuju umrle ćelije. Prije nego što se ćelija podijeli
ona mora da se poveća, da udvoji svoj genetski materijal, a potom razdvoji
taj materijal na ćerke ćelije. Ti različiti procesi se odvijaju u ćelijskom
ciklusu. Ćelijski ciklus ili generaciono vreme je najfundementalniji proces
eukariota. On je suština života i smrti
.
Zahvaljujući razvoju tehnike i instrumenata saznanja o ćeliji su postala veća i potpunija. Tehnika mikroskopiranja je danas dovedena skoro do savršenstva – pronalaskom različitih vrsta mikroskopa (elektronski, fazni, i dr.). HEMIJSKI SASTAV ĆELIJEHemijski elementi koji ulaze u sastav ćelija živih bića nazivaju se biogeni elementi. Od 92 prirodna elementa samo 6 elemenata – C, H, N, О, P i S – ulazi u sastav i čini oko 99% živog tkiva. Prema količini u kojoj su prisutni u ćeliji biogeni elementi se dijele na:
Makroelementi su O, H, C, N, Ca, S, P, K i
dr. Mikroelementi se nalaze u znatno manjim količinama od makroelemenata,
ali je njihovo prisustvo u živim bićima neophodno za normalno odvijanje
životnih procesa. Takvi su npr. Cu, I, Br, Mn, F, Fe i dr. VodaVoda predstavlja najrasprostranjenije jedinjenje u organizmima i neophodan
uslov za njihov opstanak. Voda je jedna od glavnih komponenti živih sistema
i čini čak 50-95% težine ćelije. Osim u samoj ćeliji, voda se nalazi u
međućelijskim prostorima i krvi životinja. U tijelu nekih nižih beskičmenjaka
nalazimo preko 90% vode (dupljari, hidra npr.). Kod mladih listova, stabala
i korjenova voda čini 80-90% svježe mase, a kod sočnih plodova (krastavaca,
lubenice, paradajza) čak preko 90%. Sjemena sadrže svega oko 10% vode,
a ponekad samo 5% (sjeme kikirikija). Količina vode u ćelijama čovjeka
zavisi od: starosti (sa starošću ćelija opada i količina vode u njima);
vrste tkiva (krvno tkivo ima veću količinu vode od npr. masnog tkiva),
metaboličke aktivnosti ćelije (aktivnije ćelije imaju više vode), pola
(žene imaju manje vode od muškaraca). Neorganske soliNeorganske soli su takođe veoma zastupljene u ćelijama, a njihovi katjoni i anjoni su neophodni za: održavanje bioloških struktura (gradivna uloga) i biološku aktivnost jedinjenja (metabolička uloga). Najzastupljeniji katjoni su: К+, Na+, Ca++. Među anjonima su to: hloridi, karbonati, bikarbonati i fosfati.
Uloge mineralnih materijaMineralne materije organizam ne stvara sam, već ih unosi hranom. Radi razumjevanja značaja ovih materija biće navedene uloge nekih najbitnijih:
Organska jedinjenjaOrganska jedinjenja obavezno sadrže ugljenik (C) i njihovim razlaganjem
se oslobađa manja ili veća količina energije (razlika u odnosu na neorganske
materije).
METABOLIZAM ĆELIJEU živoj ćeliji se neprekidno odvija ogroman broj hemijskih reakcija. Cjelina svih hemijskih procesa, odnosno, ukupan promet materije i za materiju vezane energije naziva se metabolizam. Metabolizam karakterišu dva osnovna procesa:
Anabolizam predstavlja sintezu složenih jedinjenja iz prostih, uz potrošnju
energije kakvi su npr.fotosinteza, sinteza proteina itd. a katabolizam
su reakcije razgradnje složenih jedinjenja na prosta, uz oslobađanje energije,
pripadaju mu procesi kao što su disanje, varenje i dr. U ćeliji se neprekidno
odvijaju tijesno povezani procesi razlaganja organske materije uz oslobađanje
energije i sinteza složenih sastojaka ćelije uz utrošak energije. Pošto
se anabolizam neprekidno odvija (ćelija neprekidno sintetiše proteine,
šećere, masti idr.) ćelija ima stalnu potrebu za energijom. Živa ćelija,
bez obzira na vrstu organizma, energiju dobija oksidacijom organskih jedinjenja,
tj. njihovim sagorjevanjem (što pripada kataboličkim procesima). Organska
jedinjenja se polako i postupno oksidišu tako da se energija iz njih otpušta
sporo, djelimično u vidu toplote, a dijelom i kao hemijska energija (ATP)
koju ćelija može da koristi u anabolizmu.
Autotrofi su sposobni da vrše fotosintezu (ili hemosintezu), da sunčevu
energiju (ili hemijsku energiju) iskoriste za sintezu organskih materija
koje će im služiti za dobijanje energije. REPRODUKCIJA ĆELIJAReprodukcija je, po definiciji iz udžbenika "Biologija
za humanom genetikom", fundamentalna karakterstika života koja predstavlja
širenje žive materije u prostoru i vremenu. Osnovni značaj reprodukcije
je prenos genetske informacije sa roditelja na potomstvo. Međutim, ovde
nije riječ samo o organizmima već i o ćelijama. Dakle, da bi ćelija
normalno funkcionisala ona mora da sadrži genetski materijal
istovjetan ćeliji od koje je nastala. Prilikom diobe ćelija tzv. majka
(matična) ćelija dijeli se na dvije 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 porijeklom su od roditelja (jedan od majke,
drugi od oca). Cjelokupni 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 cjelokupan
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 podliježu mitozi, odnosno prostoj ćelijskoj diobi. Ali,
prije same diobe 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 diobe koja se odvija u četiri faze: profaza, metafaza, anafaza
i telofaza .
Ovo su procesi koji su neophodni za prenos nasljedne informacije. Postoje 2 načina prenosa informacije tj. reprodukcije:
MITOZAMitoza se označava i kao M-faza, a predstavlja dio ćelijskog ciklusa
u kojem prestaju sintetički procesi u ćeliji i vrši se dioba ćelije. Ona
se odvija veoma brzo i u prosjeku traje 1 - 2 sata. U normalnom ćelijskom
ciklusu iz faze rasta ćelija neminovno prelazi u fazu ćelijske diobe,
koja podrazumjeva kako diobu jedra, njenog genetskog materijala, tako
i diobu citoplazme. Dioba koja se odigrava u somatskim ćelijama naziva
se mitoza. U ovoj diobi od roditeljske
ćelije nastaće dvije ćerke ćelije od kojih svaka ima istu količinu i isti
DNK kao i ćelija od koje su nastale, te će one biti identične roditeljskoj
u svakom pogledu. Zahvaljujući mitozi nastaju nove ćelije neophodne za
rast višećelijskog organizma kao i za obnovu oštećenih tkiva. Međutim,
dioba koja se odigrava u polnim ćelijama u procesu gametogeneze i koja
se naziva mejoza ima za rezultat stvaranje polnih ćelija koje
nisu genetski identične ćeliji od koje su nastale i imaju za polovinu
redukovan broj hromozoma kao i duplo manju količinu DNK. Mitoza je mehanizam
ćelijske diobe koji podrazumjeva podjelu jedra (kariokinezu) i ćelijske
citoplazme (citokinezu). Pri ovoj diobi vrši se distribucija kako genetskog
materijala tako i ostalog sadržaja na dva jednaka dijela, na dvije identične
ćerke ćelije.
Slika 1 Mitoza
Među njima profaza traje najduže, a metafaza najkraće. Na samom početku
mitoze hromozomi se uočavaju kao dugački konci, po čemu je i sama deoba
dobila ime (grc. mitos = konac)
Prometafaza
Slika 4 Prometafaza
AnafazaSlika 6 Anafaza Anafaza je
takođe kratka i traje svega nekoliko minuta. Na njenom početku centromere
se dijele, što omogućuje i hromozomima da se podijele na dvije hromatide
koje će postati sestrinski hromozomi. Niti diobnog vretena
se tokom ove faze postepeno skraćuju i sestrinske hromozome povlače na
suprotne polove diobnog vretena. Za kretanje hromatida ka polovima potroši
se nekoliko molekula ATP-a. Od svakog hromozoma jedna hromatida odlazi
na jedan, a druga na drugi pol ćelije. Rezultat ovoga je da se na oba
ćelijska pola našao ponovo diploidan broj hromozoma. U humanoj ćeliji,
čijih se 46 hromozoma podijelilo na 92 hromatide, po 46 hromatida (novih
hromozoma) se nalazi na svakom polu ćelije. Krajem ove faze počinje i
diobacitoplazme, stvaranjem kontraktionog prstena koji predstavlja
prstenasto suženje koje se obrazuje oko ćelije na nivou ekvatora diobnog
vretena. On nastaje kao rezultat Telofaza Slika 7 Telofaza
MEJOZAMejoza je ćelijska dioba koja se odvija u polnim ćelija. Obrazovanje polnih ćelija (gameta) čovjeka naziva se gametogeneza . Razlikujemo spermatogenezu (obrazovanje spermatozoida) i oogenezu (obrazovanje jajne ćelije). U procesu mejoze se od diploidnih, matičnih ćelija spermatogonija i oogonija stvaraju polne ćelije, tj. muške i ženske gamete koje sadrže haploidan broj hromozoma (n), odnosno za polovinu manje od somatskih. Značaj mejoze se ogleda u održavanju stalnog broja hromozoma iz generacije u generaciju. U suprotnom bi se broj hromozoma duplirao u svakoj sledećoj generaciji, i na kraju desete generacije broj hromozoma kod čovjeka bi iznosio 23552. Haploidan broj hromozoma nastaje u procesu tzv. redukcione diobe (lat. reductio = smanjenje) matičnih polnih ćelija. Ova dioba se odvija kroz dvije brze, uzastopne diobe koje su označene kao prva i druga mejotička dioba. U ovoj diobi se jedna diploidna ćelija dva puta dijeli i nastaju četiri haploidne ćelije. Redukcija broja hromozoma obavlja se u prvoj diobi, označenoj kao mejoza I, kada se majka-ćelija (2n broj hromozoma) podijeli na dvije ćerke ćelije (n broj hromozoma). U drugoj diobi, mejozi II, se obje ćerke ćelije (sa n brojem hromozoma) podijele tako da nastaje ukupno 4 ćelije. Rezultat ove diobe su polne ćelije - gameti koji su genetski različiti. Još jedan značaj mejoze je u održavanju ogromne genetičke raznovrsnosti što omogućuje slučajan raspored majčinih i očevih hromozoma u polnim ćelijama. U ovim hromozomima je prethodno došlo i do crssing-overa što takođe doprinosi raznovrsnosti. U gametima čoveka od 23 hromozoma moguće je 223 kombinacija, što zanači da čovek može da obrazuje 8 000 000 različitih polnih ćelija.
Mejoza I
Prva mejotička dioba se, slično kao i mitoza, sastoji od četiri faze koje su označene kao: profaza I, metafaza I, anafaza I telofaza I. Slika 8 Mejoza 1 Ovoj diobi podliježu primarne spermatide i primarne spermatogonije koje su diploidne, a nastale su mitotičkom diobom iz spermatogonija. Mejozi I prethodi interfaza u kojoj je, između ostalog, izvršena replikacija DNK. Svaki hromozom ćelije koja ulazi u mejozu I se sastoji od 2 molekula DNK (dvije hromatide). Profaza IProfaza prve mejotičke diobe je duža nego kod mitoze i podjeljena je na pet podfaza:
U
leptotenu počinje kondezovanje hromatina pa se hromozomi uočavaju kao
končaste tvorevine koje su krajevima vezane za jedrovu membranu. Hromozom
se sastoji od 2 hromatide, ali su one priljubljene jedna uz drugu pa se
ne uočavaju. Dakle, u leptotenu se u jedru germinativne ćelije kao i primarne
spermatocite i primarne oocite nalazi diploidan broj uskih i dugačkih
hromozoma koji će se u sledećoj podfazi, grupisati u bivalente.
Slika 13. Faza 5-dijakineza Metafaza IMetafaza I se karakteriše prisustvom homologih hromozomskih parova spojenih hijazmama, koji se, zakačeni za mikrotubule diobnog vretena, grupišu u područja ekvatora gde formiraju figuru označenu kao metafazna (ekvatorijalna) ploča. Ovde se hromozomi nalaze u parovima od kojih svaki vodi porijeklo od jednog od roditelja- jedan od oca, a jedan od majke. Za razliku od mitoze, gdje su na ekvatoru ćelije bili pojedinačni, u metafazi mejoze I nalaze se parovi homologih hromozoma. Centromere hromozoma su koncima diobnog vretena vezane za polove ćelije i to tako što je jedan hromozom iz para vezan za jedan, a drugi hromozom za drugi pol ćelije. Anafaza IAnafaza I počinje razdvajanjem homologih hromozoma, kidanjem spojeva na hijazmama, tako da na svaki ćelijski pol odlazi jedna kompletna, po broju haploidna (n) garnitura hromozoma, ali ona je diploidna (2n) po sadržaju DNK budući da na polove odlaze kompletni hromozomi, a ne hromatide kako je bilo u anafazi mitoze. To znači da u ovoj fazi dolazi do redukcije broja hromozoma. U humanim ćelijama na polovima se nalazi po 23 hromozoma i to iz svakog od 23 para po jedan hromozom. Telofaza ITelofaza I počinje i završava se kompletnom citokinezom koja će kod muškog pola rezultovati stvaranjem dvije sekundarne spermatocite od početne primarne spermatocite, a kod ženskog pola od primarne ovocite, nakon ove diobe, nastaje jedna sekundarna ovocita i jedno polarno tijelo. I sekundarna spermatocita i sekundarna oocita, iako haploidne po broju hromozoma, su diploidne po količini DNK, koja će se u narednoj, drugoj mejotičkoj diobi redukovati da bi se dobile definitivne haploidne muške i ženske polne ćelije. U ovoj fazi se formira jedrova opna oko hromozoma koji su na polovima i obrazuje se jedarce. . Mejoza II
Nakon telofaze slijedi kratka interfaza u kojoj se, međutim, ne odvija sinteza DNK tako da ova faza ne predstavlja pravu interfazu zbog čega se naziva još i interkineza. Nakon nje sledi druga mejotička dioba koja se, takođe sastoji od četiri faze označene kao: profaza II, metafaza II, anafaza II telofaza II
Slika 16. Spermatogeneza Pri
ovoj diobi se sekundarne spermatocite i oocite koje sadrže svaka po 23
hromozoma i koje su diploidne po količini DNK, dijele na po dvije ćelije
od kojih će svaka imati po 23 hromozoma, ali duplo manju količinu DNK,
budući da je u anafazi došli do razdvajanja hromozoma na sestrinske hromozome,
čime je količina DNK redikovana na polovinu. Kao rezultat ove diobe kod
muškog pola u procesu spermatogeneze od početne, diploidne spermatogonije
odnosno primarne spermatocite nastaju 4 ćelije-spermatide
Slika 17. Proces oogeneze Razlike između spermatogeneze i oogeneze
ĆELIJSKI CIKLUS Veličina jedinke zavisi prije svega od ukupnog broja ćelija. Kod odraslog
čovjeka, taj broj približno iznosi oko 100 biliona ćelija, ili u prosjeku
oko 1 milijardu ćelija po gramu tkiva. U svim višećelijskim organizmima
tokom čitavog života odvija se kontinuirano stvaranje novih ćelija i uklanjanje
ostarjelih, a stalnost ukupnog broja ćelija odraslih jediniki predstavlja
rezultat finog balansa između ćelijske proliferacije (mitoze) i ćelijske
smrti (apoptoze). Dioba ćelije obezbjeđuje da novonastale ćerke ćelije
dobiju podjednaku količinu DNK (odnosno hromozoma), a i u većini slučajeva
približno podjednaku količinu citoplazme sa organelama i molekulima. Ćelijski
ciklus obuhvata vrijeme i događaje koji se odvijaju između dvije ćelijske
diobe, uključujući i samu ćelijsku diobu. Njegova dužina zavisi od vrste
i može da traje od 1,5-2 sata kod ćelija kvasca koje rastu, do nekoliko
godina, kod ćelija jetre čovjeka. Međutim, minimalno vrijeme ćelijskog
ciklusa za ćelije čovjeka iznosi oko 24 sata. InterfazaInterfaza je faza između dvije mitoze i u njoj ćelija raste i priprema se za diobu, tako da se biosintetički procesi tokom ćelijskog ciklusa odvijaju samo u ovoj fazi. U životu ćelije ona je najduža faza. Podjeljena je na 3 faze koje su označene kao G1, S i G2. G1 faza slijedi odmah nakon mitoze i u prosjeku u tjelesnim ćelijama čovjeka traje 9 sati. To je faza u kojoj se se sintetišu mnogi proteini kao i ugljeni hidrati i lipidi neophodni za rast ćelije. Glavna razlika između ćelija koje se dijele sporo i brzo upravo je u dužini trajanja ove faze. Neke ćelije koje se dijele veoma sporo mogu, međutim, napraviti pauzu u svom ćelijskom ciklusu tako da one u G1 fazi ostaju danima, mjesecima, pa čak i godinama. Ova izuzetno duga G1 faza označena je kao G0 faza i u njoj ćelija ostaje sve dok ne bude stimulisana na diobu. Faza G0 se često naziva i faza "mirovanja", što nije najadekvatniji naziv jer zapravo u njoj ćelija nije neaktivna nego naprotiv, ona normalno funkcioniše, vrši sekreciju, fagocitozu, prenos nervnog impulsa itd. Tako su mnogi limfociti u čovjekovom organizmu u fazi G0, ali djelovanjem nekog stimulusa kao što je odgovarajući antigen, oni se mogu vratiti u normalni ćelijski ciklus. S faza je sintetička faza u kojoj dolazi do sinteze DNK, odnosno duplikacije postojećeg lanca DNK (od jednog molekula nastanu dva potpuno identična molekula DNK), kao i do sinteze histona, nakon čega slijedi organizovanje nukleosoma i obrazovanje hromatinskih vlakana. Replikacijom DNK omogućeno je formiranje dva potpuna genska kompleta, po jedan za svaku novu ćeliju, koja će nastati u procesu mitoze. Ova faza u humanim ćelijama traje oko 10 sati. G2 faza u većini ćelija traje kratko, a u humanim ćelijama u prosjeku oko 4.5 sata. U njoj se sintetišu proteini neophodni za proces mitoze, kao što je tubulin od kojeg se polimerizuju mikrotubule koje će učestvovati u obrazovanju diobnog vretena. Pored toga, ovdje dolazi do duplikacije centriola kao i drugih organela. Faza G2 i faza G1 obezbeđuju ćeliji vrijeme za rast, sintetičke procese neophodne za stvaranje novih organela i regulatornih proteina, kao i akumulaciju energije. Ako bi interfaza trajala samo toliko vremena koliko je potrebno za duplikaciju DNK, ne bi bilo ćelijskog rasta i pri svakoj narednoj diobi ćelija bi bila sve manja. Međutim, u diobi nekih ćelija upravo se to i događa. Tako su kod blastomera nastalih nakon nekoliko prvih dioba kojima podliježe oplođena jajna ćelija, odnosno zigot, faze G1 i G2 drastično skraćene tako da praktično kod ovih ćelija nema rasta prije dioba, što ima za posljedicu podjelu krupne jajne ćelije u veliki broj sitnijih ćelija, čiji ukupan volumen nije veći od volumena jajne ćelije. Pri kraju G" faze počinje kondenzacija hromozoma, što ujedno označava kraj interfaze i početak mitoze .
Vjeruje se da su svi organizmi i ćelije koje ih čine nastali od zajedničkog
pretka. Iako su evolutivni procesi nedovoljno poznati i objašnjeni, ipak
se na osnovu podataka koje pružaju fosili i uporednog izučavanje današnjih
ogranizama može pretpostaviti kako je evolucija tekla. Izračunato je da
je Sunčev sistem nastao prije oko 4,6 milijardi godina i poznato je da
od 9 planeta tog sistema život postoji samo na Zemlji (nije isključeno
da na drugim planetama u galaksiji postoji život). Smatra se da je pojavi
života na Zemlji prethodio dug period hemijske evolucije. LITERATURA
|