1

CICLUL CELULAR

Perioada de timp scurs de la terminarea diviziunii ce a dat natere unei celule i pn la

momentul n care se ncheie diviziunea acelei celule se numete ciclu celular. Ciclul de via al

unei celule se compune din dou mari faze: diviziunea celular i perioada dintre dou diviziuni

succesive, numit interfaz.

ntreg ciclul celular este compus din patru perioade: G1 (perioada de timp dintre sfritul

mitozei i nceputul sintezei de ADN); S (perioada n care se sintetizeaz ADN-ul); G2 (perioada

dintre sfritul sintezei de ADN i nceputul diviziunii) i M (diviziunea sau mitoza propriu-

zis), (fig. 1).

n cazul organismelor superioare,

diviziunea celular este indirect, fiind de dou

feluri:

- mitoza (cariochineza), specific

nmulirii celulelor somatice;

- meioza (diviziunea reducional),

specific formrii celulelor sexuale maturate.

Fig. 1. Diagrama ciclului celular

MITOZA (CARIOCHINEZA)

Mitoza, este diviziunea celular specific celulelor somatice, fiind un mecanism biologic

care asigur o repartizare identic a materialului genetic.

n ciclul de via al unei celule somatice capabil de multiplicare, se disting dou faze:

a. - faza sintetic (interfaza);

b. - faza citologic (mitoza propriu-zis).

a. Faza sintetic (interfaza). Reprezint perioada dintre dou diviziuni celulare, n care

are loc duplicarea componentelor eseniale ale celulei, necesare intrrii acesteia n diviziune.

Principalul proces de sintez este replicarea semiconservativ a ADN-ului, cu duplicarea

componentelor cromozomale. Interfaza reprezint perioada de activitate sintetic a celulei, iar n

timpul mitozei propriu-zise se reorganizeaz structura celulei i are loc segregarea cromozomilor

2

n celulele nou formate. Cercetrile au evideniat c i n interfaz cromozomii i menin

individualitatea, dar sunt mult extini, alungii, filamentoi, formnd aa numita cromatin.

Interfaza este mprit n trei perioade:

Perioada presintetic (faza G1), n care celula are un set de cromozomi

monocromatidici, corespunznd pregtirii sintezei ADN-ului. Se remarc sinteza intens de

ARN - mesager i de proteine citoplasmatice.

Sfritul fazei G1, este considerat cnd ncepe sinteza histonelor, care se intensific

progresiv, atingnd maximum n faza S.

Perioada de sintez (faza S), n care are loc replicarea semiconservativ a ADN-ului,

rezultnd n final dublarea materialului cromozomal. n aceast faz se sintetizeaz att ADN-ul

cromozomal ct i componentele proteice ale cromozomilor. Cromatidele surori rmn strns

asociate prin intermediul constriciilor primare i secundare. Sinteza proteinelor histonice

decurge n paralel cu sinteza ADN-ului, adic numai n faza S.

Perioada postsintetic (faza G2), este delimitat de sfritul sintezei de ADN i apariia

primelor semne vizibile ale diviziunii celulare.

Sinteza ADN-ului i a componentelor proteice ale cromozomilor nceteaz o dat cu

ncheierea fazei S, sinteza ARN-ului i a altor componente proteice ale celulei continu pe

parcursul ntregii interfaze.

De regul, celulele somatice care nceteaz s se mai divid se gsesc n faza G1, deci n

stare diploid normal.

b. Faza citologic sau mitoza propriu-zis. Cuprinde patru faze: profaza (cu o durat

de circa 30 min. sau 50% din durata total a mitozei); metafaza (circa 8 min), anafaza (circa 4

min) i telofaza (circa 18 min) (fig. 2).

Profaza - reprezint stadiul cel mai lung al mitozei, n care are loc condensarea

crescnd a cromozomilor, care devin astfel vizibili la microscopul optic sub forma unor

filamente lungi i subiri, care ncep s se scurteze i s se ngroae. Cromozomii i pstreaz

strucrura lor dubl format din cele dou cromatide alipite longitudinal, care se rsucesc una n

jurul celeilalte avnd ca punct comun centromerul, astfel c linia de demarcare a celor dou

cromatide surori devine tot mai greu vizibil.

n citoplasm centrozomul se divide n doi corpusculi denumii centrioli, ce vor migra

spre polii celulei. Spre sfritul profazei dispar nucleolii, membrana nuclear se dizolv iar

cromozomii ajung n masa celular. ntre cei doi centrioli se formeaz fusul de diviziune, care

va avea cte un filament pentru fiecare cromozom.

3

Metafaza - este stadiul n care cromozomii ating maximul de condensare, acetia

orientndu-se ctre planul ecuatorial al celulei i fiecare se ataeaz prin intermediul

centromerului de cte o fibr a fusului de diviziune formnd placa ecuatorial.

Fig. 2. Diviziunea mitotic: A interfaza; B, C, D profaza;

E, F metafaza; G anafaza; H telofaza; I interfaza.

Acest moment este foarte important pentru cercetrile de citogenetic; deoarece prin

tehnici specifice cromozomii pot fi individualizai, fiind uor de cercetat la microscop n vederea

alctuirii cariotipului.

Aranjamentul spaial al cromozomilor n placa ecuatorial a constituit obiectul a

numeroase investigaii. Astfel s-a constatat c acei cromozomi care au talie mare, tind s ocupe

poziii la periferia plcii metafazice astfel nct doar regiunile centromerice se gsesc n cadrul

fusului mitotic, braele lungi gsindu-se plasate n citoplasm. Cromozomii mici tind s ocupe

arealul central al plcii metafazice. Ordonarea nentmpltoare a cromozomilor metafazici n

placa ecuatorial, a fost demonstrat la mai multe specii (om, hamster, iepure). Cromozomii

sexului sunt ntlnii la periferia plcii metafazice.

n finalul metafazei are loc diviziunea longitudinal a celor dou cromatide surori,

inclusiv a centromerilor, fiecare cromatid devenind un cromozom independent, care sunt atrai

spre polii celulei prin contractarea fibrelor fusului de diviziune.

4

Sub aciunea diverilor factori cu efect mutagen (radiaii, substane chimice, temperaturi

sczute etc), cele dou cromatide pot s nu se separe, dnd natere la manifestri patologice

(trisomii, monosomii etc). n lucrrile curente de citogenetic, celulele sunt tratate cu colchicin

care inhib formarea fusului mitotic, astfel nct nucleii sunt blocai n stadiul metafazic, fiind

mai uor de studiat

Anafaza - este etapa de clivare total a celor dou cromatide surori i de micare a

cromozomilor prin intermediul fusului de diviziune, spre polii celulei. n acest fel, fiecare

cromatid devine cromozom monocromatidic independent. Cnd fiecare set de cromozomi a

ajuns la polii celulei, anafaza se ncheie, rezultnd n jurul fiecrui pol celular acelai numr de

cromozomi ci au existat la celula mam, adic un set diploid specific de cromozomi (2n).

La sfritul anafazei, celula prezint o uoar trangulare n zona median.

Telofaza - ncheie fazele diviziunii, cromozomii suferind un proces de despiralizare i

decondensare, devenind subiri i pierznd proprietile tinctoriale. Fusul de diviziune dispare,

apar nucleolii i se formeaz membrana nuclear care delimiteaz cte un nucleu la fiecare pol al

celulei, cu acelai numr de cromozomi ca i celula mam. Apoi are loc separarea complet a

citoplasmei i reorganizarea membranelor celulare, rezultnd n final dou celule fiice. Acestea

intr apoi n interfaz, timp n care se realizeaz condiiile necesare unei noi diviziuni.

Durata mitozei, este foarte variabil de la o categorie de celule la alta, fiind dependent

de specie, vrst, temperatur etc. Durata complet a unui ciclu mitotic, variaz de la cteva zeci

de minute, la cteva zeci de ore. Mitoza poate fi stimulat sub aciunea unor substane specifice,

denumite substane mitogene (exemplu - eritropoietina, factori de cretere, hormonii cum sunt

cei estrogeni etc). Exist i factori tisulari inhibitori ai diviziunii celulare, cum sunt unele peptide

i glicoproteine.

n funcie de tipul specific de esut al organismului, celulele se divid din timp n timp,

astfel c fiecrui esut i este specific un indice mitotic (rat mitotic), care reprezint proporia

de celule aflate n diviziune, din numrul total de celule.

Semnificaia genetic a mitozei. Mitoza este diviziunea celulelor somatice, n urma

creia rezult dou celule fiice, care au acelai numr de cromozomi i aceeai structur genetic

ca i cromozomii celulei mam. Astfel mitoza asigur constana numeric i informaional a

cromozomilor n succesiunea generaiilor de celule a unui organism. Din acest punct de vedere,

mitoza este considerat drept mecanismul biologic care atinge exactitatea absolut n celulele

normale. n timp ce meioza induce permanent variabilitate, mitoza conserv n modul cel mai

rigid cu putin informaia ereditar. Meninerea constant a numrului de cromozomi i a

informaiei ereditare, este asigurat de mecanismul de biosintez a cromatidelor surori. Datorit

biosintezei semiconservative a cromatidelor n cursul perioadei de sintez, cele dou cromatide

5

surori sunt ntotdeauna identice sub raportul informaiei ereditare deinute, att una fa de

cealalt, ct i fa de cromatida mam.

Mitoza prin multiplicarea continu a celulelor unui organism, asigur creterea i

dezvoltarea organismelor pluricelulare.

Prin mecanismele specifice procesului de difereniere celular n perioada embrionar,

precum i datorit reglajului genetic, mitoza permite n cursul procesului de ontogenez formarea

de esuturi i organe cu funcii specifice.

Exactitatea replicrii i separrii cromatidelor, asigur cantitativ i calitativ aceeai

structur genetic a celulelor fiice, cu a celulei mam. n acest mod, mitoza asigur continuitatea

ereditar n cadrul fiecrui organism.

Orice modificare a structurii cantitative i calitative a cromozomilor n cursulul

procesului de mitoz, sub aciunea factorilor mutageni, fizici, chimici sau biologici (radiaii,

influena temperaturii, substane chimice cu efect mutagen, oncovirusuri etc), va determina

consecine deosebit de negative asupra diverselor esuturi sau organe, cu modificri pregnante a

sintezei diverilor compui biologici la nivel celular.

MEIOZA

Meioza sau diviziunea reducional, reprezint tipul de diviziune celular caracteristic

organismelor care se reproduc pe cale sexuat. n urma meiozei se formeaz celulele sexuale sau

gameii (spermatozoizii i ovulele), care vor avea un numr de cromozomi redus la jumtate fa

de celula din care au provenit. Celulele astfel rezultate vor avea un nucleu haploid (cu n

cromozomi), specific tuturor celulelor sexuale. Prin fecundarea a dou celule sexuale, cu un

numr haploid de cromozomi, rezult zigotul care are o garnitur cromozomal dubl (stare

diploid = 2n cromozomi), specific celulelor somatice.

Meioza i fecundarea sunt astfel fenomene compensatorii, care asigur constana

numrului de cromozomi caracteristic fiecrei specii, de-a lungul generaiilor de indivizi.

n meioz se succed dou diviziuni succesive. n prima diviziune meiotic se produce

conjugarea cromozomilor omologi, duplicarea fiecrui omolog n cromatidele surori i separarea

cromozomilor omologi n dou celule cu un numr haploid de cromozomi (n), fiind deci o

diviziune reducional. A doua diviziune meiotic decurge dup o mitoz obinuit i const n

separarea fiecrui cromozom n cele dou cromatide surori, fiind deci o diviziune homotipic

sau de maturaie. n urma celor dou diviziuni, din celula primar vor rezulta patru celule

haploide, care vor forma gameii, (fig. 3).

6

Fig. 3. Diviziunea meiotic:

a - leptonem; b - zigonem; c - pachinem; d - diplonem; e - diachinez; f - metafaza I; h - interfaz; i - metafaza II; j - celule haploide.

Prima diviziune meiotic (Meioza I), se desfoar n patru etape (profaza I, metafaza I,

anafaza I i telofaza I). Este un proces foarte complex, meioza I poate dura zile, luni i chiar ani

de zile, (n funcie de specie).

Profaza I. Este o faza ce dureaz deosebit de mult, ocupnd 90% din durata meiozei

totale. n timpul profazei I se mrete volumul nuclear de 3 - 4 ori fa de profaza mitotic, are

loc mperecherea cromozomilor omologi i manifestarea fenomenul de crossing-over,

realizndu-se un schimb reciproc de fragmente cromatidice ntre cromozomii omologi.

Prezint cinci etape succesive: leptonem, zigonem, pachinem, diplonem i diachinez.

Leptonem (gr. Lepton = subire; nema = filament), este prima etap a profazei I meiotice

caracterizat prin aspectul cromozomilor care apar ca nite filamente lungi i subiri.

Cromozomii sunt n numr diploid i bicromatidici, cromatidele fiind strns asociate.

Cromatidele surori sunt sintetizate semiconservativ, n interfaza care precede intrarea celulelor n

meioz. O trstur caracteristic a acestei etape este dispoziia polarizat a cromozomilor, dnd

impresia c pornesc dintr-un singur punct cu ambele extremiti, punct plasat la nivelul

membranei nucleare.

7

Zigonem (gr. zygosis = unire, mbinare), n aceast etap cromozomii ncep procesul de

spiralizare, devenind mai scuri i groi. Cromozomii omologi se alipesc unul de altul, unindu-se

ntre ei (conjungarea omologilor) pe direcie longitudinal, formnd perechi de bivaleni

fenomen denumit sinapsis. Conjugarea cromozomilor omologi se face punct cu punct pe toat

lungimea lor, ncepnd de la un capt (conjugare terminal), sau simultan din mai multe puncte

(conjugare local). Mecanismul molecular al conjugrii cromozomilor omologi este mai puin

cunoscut, presupunndu-se c n mare parte complexul sinaptic este format din proteine i ntr-o

msur mai mic din ADN.

Conjugarea cromozomilor omologi este precedat de formarea chiasmelor, care sunt

puncte de contact ntre acetia. Datorit faptului c sinapsa este deosebit de exact (fiecare

element structural alipindu-se exact pe elementul similar din cromozomul omolog), aparent

numrul de cromozomi pare redus la jumtate.

Faza de zigonem are o deosebit importan genetic. Datorit conjugrii perechilor de

omologi, se poate stabili cu certitudine identitatea cromozomilor dintr-o pereche, fapt important

pentru studiile de citogenetic. De asemenea, datorit conjugrii perfecte a perechilor de

omologi, se poate evidenia cu uurin cazurile de cromozomi anormali, care au suferit un

proces de rupere sau pierdere a unor segmente. n cazul cnd de pe un cromozom lipsete un

segment intercalat, cromozomul omolog va suferi n poriunea respectiv o ndoire, o buclare, iar

n cazul cnd segmentul este terminal, cromozomul omolog va prezenta o poriune terminal

liber.

Pachinemul (gr. pachys = gros), este o etap n care scurtarea i ngroarea

cromozomilor omologi se accentueaz, nct cu greu se poate sesiza structura dubl a

cromozomilor, numrul acestora devenind aparent haploid. Perechile de cromozomi astfel intim

unii, poart denumirea de bivaleni.

La sfritul acestui stadiu ncepe fenomenul de respingere a cromozomilor omologi ntre

ei, proces care continu i n stadiul urmtor.

Diplonem (gr. diplos = dublu), cromozomii omologi i restabilesc structura lor dubl i

n plus fiecare cromozom se divide longitudinal n cele dou cromatide, astfel nct o pereche de

cromozomi apare ca fiind format din patru cromatide, unite dou cte dou prin centromerul

comun, formaiunea respectiv fiind denumit tetrad cromozomal. Separarea celor doi

cromozomi omologi nu este ns complet, ei rmn conjugai prin unul sau mai multe puncte

de-a lungul cromatidelor, constituind puncte de contact denumite chiasme. Chiasmele

localizeaz punctele n care pot avea loc schimburi de fragmente cromatidice ntre cromatidele

nesurori, fenomen denumit de Morgan crossing-over.

8

Formarea chiasmelor este un proces destul de des ntlnit n mperecherea cromozomilor

omologi, dar frecvena acestora variaz de la o pereche de cromozomi la alta, fiind determinat

de lungimea i particularitile de structur ale cromozomilor. n cazul heterozomilor

(cromozomii X i Y), la majoritatea speciilor de mamifere mperecherea se face cap la cap i nu

longitudinal ca n cazul autozomilor, ceea ce exclude formarea chiasmelor, precum i existena

crossing-overului.

n continuarea diplonemului, cromatidele se contract i mai mult, iar reacia de

respingere dintre ele crete, acestea rmnnd ns legate prin centromer i alte puncte de

contact.

Diachinez (dia = divergent; kinesis = micare), reprezint ultimul stadiu al profazei I

meiotice, n care continu procesul de contractare i ndeprtare a cromozomilor omologi,

lrgindu-se astfel spaiile dintre acetia, iar chiasmele se deplaseaz spre extremitile

cromozomilor. Cromatidele surori se unesc foarte strns, devenind aproape inobservabile.

n finalul diachinezei membrana nuclear se dizolv, nucleolii dispar n masa celulei i se

formeaz fusul nuclear de diviziune. Spre deosebire de mitoz cnd numrul fibrelor fusului

nuclear de diviziune era egal cu numrul de cromozomi, n cazul meiozei I numrul fibrelor

fusului de diviziune va fi egal cu numrul de perechi de cromozomi.

Metafaza I. Are loc ataarea cromozomilor bivaleni de fibrele fusului nuclear de

diviziune formndu-se placa metafazic sau placa ecuatorial, n cadrul creia cromozomii

bivaleni sunt orientai cu centromerii spre poli, iar chiasmele sunt orientate spre planul

ecuatorial al celulei. n continuare are loc o repulsie activ ntre cei doi cromozomi omologi, care

se ndeprteaz activ unul de altul pn la desfacerea total a chiasmelor.

Anafaza I. ncepe odat cu dispariia ultimelor chiasme care leag perechile de

cromozomi omologi ntre ei, astfel c spre fiecare pol al celulei se ndreapt cte un cromozom

din fiecare pereche de bivaleni. Cromatidele surori, spre deosebire de mitoz, nu se despart n

aceast faz, ele rmn legate la nivelul centromerului i a altor puncte de contact.

Avnd n vedere predispoziia spre crossing-over a cromozomilor, n fazele anterioare,

cromozomii care vor migra spre polii celulei nu mai sunt identici cu cei de la nceputul

diviziunii. Acetia vor fi restructurai, fiind alctuii dintr-un mozaic de material genetic de

origine matern i patern.

Un alt fenomen genetic care se manifest n aceast faz este segregarea independent

a perechilor de cromozomi, fenomen cunoscut i sub denumirea de dansul cromozomilor, care

constituie o contribuie important la recombinarea genetic i la inducerea permanent a

variabilitii n descenden.

9

Telofaza I. Se caracterizeaz prin reorganizarea membranei nucleare, a celorlalte

componente celulare i n final a membranei celulare, care izoleaz cele dou celule haploide

astfel rezultate.

Dup o scurt interfaz, fr sinteza de ADN, urmeaz meioza II n care intr cele dou

celule haploide rezultate la finalul meiozei I. n meioza II, are loc separarea cromatidelor surori

care devin cromozomi independeni, deplasarea lor spre polii celulei, la finalul acesteia rezultnd

patru celule cu un numr haploid (n) de cromozomi.

Dac prima diviziune a procesului meiotic este o diviziune heterotipic, deoarece

pornete de la celule diploide i se ajunge la celule haploide, a doua diviziune a procesului

meiotic este o diviziune homotipic, deoarece pornete de la celule haploide i se ajunge tot la

celule haploide.

Meioza II, const n succesiunea celor patru faze ale unei mitoze obinuite, fr

diferenieri fa de aceasta, aceste faze fiind denumite: profaza II, metafaza II, anafaza II i

telofaza II.

Durata meiozei, este mult mai mare dect a mitozei, putnd ajunge la zile, luni sau chiar

ani de zile.

Semnificaia genetic a meiozei. Meioza reprezint fenomenul de importan capital n

transmiterea potenialitii ereditare a generaiei parentale, la generaia descendent. Prin

intermediul meiozei se formeaz gameii, ce au un numr haploid de cromozomi, iar prin

fecundarea acestora se realizaeaz una din cele mai importante nsuiri ale cromozomilor:

continuitatea i succesiunea lor n generaiile succesive de indivizi.

De asemenea, meioza este principalul fenomen biologic, responsabil de inducerea

permanent a variabilitii genetice n populaiile de animale. Variabilitatea genetic realizat n

cursul meiozei are dou surse:

a. segregarea probabilistic a cromozomilor materni i paterni, la sfritul meiozei I, (sau

dansul cromozomilor);

b. schimbul de fragmente cromatidice, (crossing -over).

a. Segregarea independent a perechilor de cromozomi la sfritul meiozei I,

(fenomen denumit de H. J. Mller dansul cromozomilor). Este rezultatul fenomenului prin care

cromozomii materni i paterni ai celulelor diploide, se mperecheaz la nceputul meiozei I , n

funcie de omologia lor i apoi se separ pe baza legilor probabilitii.

Fenomenul este condiionat de dispunerea pe baza legilor hazardului, a perechilor de

bivaleni n placa ecuatorial a metafazei I. Hazardul face ca unii bivaleni s se dispun n placa

ecuatorial, cu centromerul matern spre un pol al celulei i cu cel patern spre cellalt pol celular,

10

iar alte perechi de cromozomi s fie dispui invers, iar segregarea n una sau cealalt celul

haploid ce rezult la finalul meiozei I, s se fac dup aceast dispunere.

Numrul de combinaii posibile ale cromozomilor ce rezult n urma acestui fenomen

este de 2n (n reprezentnd numrul de perechi de cromozomi; la om 223; la taurine 230 etc).

Probabilitatea ca un gamet s fie diferit de alii sub raportul informaiei genetice pe care o deine

este de (1/2)n, n urma manifestrii acestui fenomen. Dac se iau n considerare ntr-un exemplu

ipotetic, un organism cu dou perechi de cromozomi, atunci posibilitile de combinare a

cromozomilor n gamei, sunt de 22, realizndu-se 4 tipuri de gamei diferii, avnd fiecare

informaie genetic diferit de a celuilalt.

La taurine, n urma segregrii independente a perechilor de cromozomi, combinaiile

gametice cu structur genetic diferit ce vor rezulta, vor fi de 230, valoare ce se ridic la peste

1,73 miliarde de clase de gamei cu structura genetic diferit. Probabilitatea ca un gamet s fie

identic cu altul, va fi de 1/1,73 miliarde, ceea ce asigur o posibilitate infim de identitate

genetic a gameilor.

Acest mecanism al segregrii cromozomilor n meioza I, reprezint sursa cea mai

important a variaiilor ereditare, determinnd o permanent restructurare a patrimoniului

ereditar al organismelor.

b. Al doilea mecanism de inducere a variabilitii este reprezentat de fenomenul de

crossing-over, care are loc n diplonemul meiozei I, asigurnd schimbul de fragmente

cromatidice ntre cromozomii omologi. Crossing-overul, se realizeaz cu o frecven constant i

caracteristic fiecrei perechi de cromozomi, determinnd un schimb de informaie ereditar

ntre cromozomii materni i paterni. Datorit acestui proces, cromozomii rezultai la sfritul

profazei I meiotice, vor fi un mozaic de material genetic matern i patern, fiind astfel

restructurai fa de cromozomii care au intrat n diviziune

Fenomenul de crossing-over adaug la variabilitatea genetic generat de combinarea

independent i ntmpltoare a cromozomilor, variabilitatea de structur a acestora, mrind la

infinit posibilitile de manifestare a diferitelor caractere i nsuiri n cadrul fiecrei generaii.