Rolul mitozei în creștere și dezvoltare

Un organism pluricelular crește în mare parte prin sporirea numărului de celule. Pentru aceasta, o celulă se pregătește și apoi se divide. Mitoza este etapa în care materialul din nucleu este împărțit în două nuclee. De obicei urmează și separarea citoplasmei, iar din celula inițială rezultă două celule-fiice.

Înainte de mitoză, celula își copiază ADN-ul. În timpul diviziunii, copiile cromozomilor ajung în nuclei diferiți. Astfel, celulele-fiice primesc în mod obișnuit același număr de cromozomi și aceeași informație genetică de bază ca celula din care au provenit. Nu înseamnă că toate celulele organismului arată sau lucrează identic: ele se pot specializa ulterior.

Mitoza participă la creșterea unui copil, la dezvoltarea unei plante și la înlocuirea unor celule pierdute. De pildă, pielea își reînnoiește celulele pe măsură ce unele sunt eliminate. Ritmul diviziunii este însă controlat; nu orice celulă se divide tot timpul, iar unele se divid rar. Dacă auzi că „o rană se vindecă prin mitoză”, reține că vindecarea implică și migrarea celulelor, semnale chimice și refacerea țesutului. Mitoza este o parte importantă a acestui proces, nu întreaga explicație.

Mitoza produce din o celulă-mamă două celule-fiice cu același număr de cromozomi și aceeași informație genetică. Replicarea ADN-ului are loc în faza S a interfazei, înainte de faza mitotică; mitoza păstrează ploidia, iar separarea cromatidelor-surori și citokineza distribuie în mod egal materialul genetic. La o celulă somatică umană cu $46$ de cromozomi rezultă două celule cu câte $46$. Rolurile mitozei:

1. Creșterea organismului. Zigotul se divide mitotic prin clivare, iar rezultă morula și apoi blastula; celulele sporesc în număr, apoi se măresc și se diferențiază. La plante, creșterea în lungime se bazează pe diviziunile meristemelor apicale, iar creșterea în grosime pe cele ale cambiului.
2. Înlocuirea celulelor uzate. Celulele epiteliului intestinal se înlocuiesc în câteva zile. În epidermă, celulele stratului bazal se divid, iar cele din straturile superioare se keratinizează și se descuamează. Hematiile, care trăiesc aproximativ $120$ de zile, sunt înlocuite prin diviziunea celulelor-stem din măduva osoasă roșie.
3. Regenerarea și cicatrizarea. Planaria regenerează părți ale corpului, iar ficatul uman se reface după îndepărtarea unei părți: hepatocitele aflate în $G_0$ reintră în ciclu.
4. Înmulțirea asexuată. Drojdia de bere și hidra se înmulțesc prin înmugurire, iar plantele prin butași, bulbi sau stoloni; descendenții sunt clone ale organismului-părinte.

După clivare, celulele embrionare se diferențiază și formează cele trei foițe embrionare: ectodermul, mezodermul și endodermul. Celulele-stem ale măduvei osoase se divid mitotic în mod asimetric: una dintre celulele-fiice rămâne celulă-stem, iar cealaltă se diferențiază în hematie, leucocit sau trombocit. În vârful rădăcinii, celulele-fiice formate în meristem se alungesc, își măresc vacuola și devin celule ale țesuturilor definitive. În cicatrizarea unei plăgi cutanate, celulele stratului bazal al epidermei se divid și acoperă lipsa de țesut.

Creșterea nu înseamnă numai mitoză: depinde de proliferare, de mărirea celulelor, de diferențiere și de controlul morții celulare. Mitoza dereglată poate contribui la formarea tumorilor, dar o singură diviziune nu înseamnă cancer.

Exemplu rezolvat 1: clivarea zigotului. Un zigot suferă $6$ cicluri de diviziune sincrone.

1. Numărul de celule după $n$ cicluri este $2^n$; pentru $n=6$ rezultă $2^6=64$ de celule.
2. Fiecare diviziune adaugă o celulă, deci s-au produs $64-1=63$ de diviziuni ale unor celule individuale, deși au fost numai $6$ cicluri.
3. După $10$ cicluri există $2^{10}=1024$ de celule, iar un milion de celule se atinge după $20$ de cicluri ($2^{20}=1048576$).

Exemplu rezolvat 2: o cultură de celule. O cultură pornește de la $5\cdot 10^4$ celule, iar timpul de generație este de $20$ de ore. Câte celule există după $60$ de ore?

1. Numărul de generații: $60/20=3$.
2. Fiecare generație dublează populația: $N=N_0\cdot 2^n=5\cdot 10^4\cdot 2^3$.
3. Rezultă $N=4\cdot 10^5$ celule. Toate celulele-fiice sunt identice genetic cu celulele inițiale, deoarece nu intervine recombinarea.

Ciclul celular cuprinde interfaza ($G_1$, $S$, $G_2$) și faza mitotică. Punctele de control sunt la $G_1/S$, la $G_2/M$ și în metafază (atașarea cromozomilor la fus). Celulele care nu se mai divid, precum neuronii, rămân în $G_0$.

Fazele mitozei: profaza (cromozomii se condensează, dispare nucleolul, se formează fusul), prometafaza (dispare învelișul nuclear), metafaza (cromozomii se aliniază la ecuator), anafaza (se separă cromatidele surori), telofaza (se refac nucleii). Citokineza se face prin inel contractil la celula animală și prin placă celulară (fragmoplast) la celula vegetală.

Numărarea pentru o celulă $2n=46$:

Conținutul de ADN al celulei trece de la $2C$ la $4C$ (faza $S$), apoi revine la $2C$ în fiecare celulă-fiică. Pentru $2n=8$: în metafază sunt $8$ cromozomi și $16$ cromatide, în anafază $16$ cromozomi, iar fiecare celulă-fiică are $8$ cromozomi.

Mitoza nu produce variabilitate, fiindcă nu are crossing-over: celulele-fiice sunt identice genetic. Poate avea loc și în celule haploide ($n\to n$). Procariotele se înmulțesc prin diviziune directă, nu prin mitoză. Pierderea controlului ciclului celular stă la baza tumorilor.

Controlul diviziunii. Complexele formate din ciclină și kinază dependentă de ciclină (CDK) fac trecerea prin punctele de control; ciclina B împreună cu CDK1 declanșează intrarea în mitoză. Proteina $p53$ oprește ciclul în $G_1$ dacă ADN-ul este lezat și activează repararea sau apoptoza. Celulele normale se divid de un număr limitat de ori în cultură (limita Hayflick, de aproximativ $50$ de diviziuni la fibroblastele umane), deoarece telomerele se scurtează la fiecare replicare; celulele tumorale pot menține telomerele prin telomerază. Celulele normale își opresc diviziunea la contactul cu celulele vecine (inhibiția de contact), iar celulele tumorale pierd acest control. Rata diviziunii diferă: neuronii și fibrele musculare scheletice nu se mai divid, hepatocitele se divid rar, dar reintră în ciclu după hepatectomie parțială, iar celulele epiteliului intestinal și ale măduvei osoase se divid continuu. Colchicina împiedică formarea fusului și blochează celulele în metafază, fază folosită pentru cariotip.

Exemplu în format de admitere (complement grupat). Pentru o celulă somatică diploidă cu $2n=46$ care se divide mitotic, sunt corecte afirmațiile:

1. În anafază, numărul de cromozomi din celulă scade la $23$.
2. Colchicina, care împiedică formarea fusului, blochează celulele în anafază.
3. O celulă aflată în $G_2$ are conținutul de ADN $2C$.
4. Fiecare celulă-fiică rezultată prin mitoză primește $46$ de cromozomi monocromatidici.

• a) „Numai afirmațiile 1, 2 și 3 sunt corecte.”
• b) „Numai afirmațiile 1 și 3 sunt corecte.”
• c) „Numai afirmațiile 2 și 4 sunt corecte.”
• d) „Numai afirmația 4 este corectă.”
• e) „Toate afirmațiile sunt corecte sau toate sunt false.”

Răspuns: d. 1) Falsă: în anafază cele $92$ de cromatide devin cromozomi monocromatidici, deci numărul de cromozomi din celulă crește la $92$. 2) Falsă: fără fus, cromatidele nu pot migra, iar celulele rămân în metafază. 3) Falsă: după faza S conținutul de ADN este $4C$. 4) Adevărată: după citokineză fiecare celulă-fiică are $46$ de cromozomi cu o singură cromatidă.

Greșeli frecvente

• Greșit: Mitoza dublează permanent numărul de cromozomi al fiecărei celule-fiice.
  Corect: Copierea ADN-ului precedă mitoza; copiile sunt apoi separate.
• Greșit: Orice creștere a organismului înseamnă doar mărirea celulelor.
  Corect: Crește și numărul lor.
• Greșit: O celulă somatică cu $2n=46$ dă prin mitoză celule-fiice cu câte $23$ de cromozomi.
  Corect: Mitoza păstrează numărul de cromozomi, deci fiecare celulă-fiică are $46$.
• Greșit: Toate celulele corpului se divid mitotic tot timpul.
  Corect: Neuronii și fibrele musculare scheletice au ieșit din ciclu, iar alte celule se divid doar la nevoie.

Înainte și după