Якби ви спостерігали під мікроскопом за поділом клітин, то побачили б наступне. По-перше, матеріал всередині ядра стає дуже щільним. Можна навіть розрізнити дискретні структури - хромосоми. Ви знаєте, що в соматичних (нестатевих) клітинах людини є 23 пари хромосом - по одній хромосомі з кожної пари від кожного з батьків. Разом в соматичних клітинах людини 46 хромосом. Всі 46 шикуються в екваторіальній площині клітини. На цій стадії добре помітно, що кожна з 46 хромосом насправді складається з двох хроматид, з'єднаних між собою в області, схожою на кнопку. Ця область була названа центромерой. З протилежних кінців клітини розташовано два щільних плями (центриоли), кожне з яких утворює нитки веретена поділу. Кожна нитка приєднується до хромосоми в області центромери. До кожної парі хромосом приєднуються дві нитки - по одній від кожної центріолі. Потім ми б побачили, що центриоли, подібно котушок, намотують нитки веретена поділу, в результаті чого хромосоми розходяться до полюсів клітини. Потім ділиться вміст клітини. Це дивовижне видовище.
Події розвиваються за таким сценарієм. Необхідно розуміти, що для поділу клітини повинна бути вирішена дуже важливе завдання - має відбутися подвоєння (реплікація) ДНК, адже саме в ДНК закодована вся інформація про те, що і як має відбуватися в клітці. Згадайте, що ДНК являє собою подвійну спіраль. Зовні спіралі розташовується сахарофосфатний остов, в якому цукру пов'язані один з одним ковалентними зв'язками через залишок фосфорної кислоти. Усередині спіралі знаходяться органічні азотисті основи, з'єднані попарно водневими зв'язками. Сенс копіювання інформації, що зберігається в одній хромосомі, і передачі цієї інформації нової клітці без змін дуже проста: необхідно розкрутити подвійну спіраль ДНК і розірвати водневі зв'язку, які утримують разом пари азотистих основ. З цього моменту з'являються дві одинарні ланцюга з азотистими підставами, які виступають з сахарофосфатнимі остова. Згадайте, що кожне азотистих основ однієї з ланцюгів ДНК завжди утворює рідної країни внаслідок добре певним підставою іншого ланцюга ДНК. Так, аденін зв'язується тільки з тиміном, а гуанін - тільки з цитозином. У цьому полягає принцип комплементарності азотистих основ. Згадайте також, що нуклеотиди є молекули, що складаються з органічної основи і фосфорилированного цукру. Теоретично, якщо необхідні нуклеотиди присутні в нуклеоплазмі, кожне азотистих основ кожної ланцюга ДНК підбере собі відповідну пару. Існує специфічний і дуже важливий фермент, ДНК-полімераза, який робить цю реакцію можливою. Сахара знову утвореною дочірній ланцюга ДНК з'єднуються один з одним за допомогою фосфодіефірних зв'язків, в результаті чого утворюється сахарофосфатний остов - і ось воно сталося! У вас є дві ідентичні хромосоми там, де тільки що була одна (рис. 2.7). Звичайно, насправді процес реплікації молекули ДНК в клітині відбувається набагато складніше і залежить від функціонування цілого ряду ферментів, але про це ми ще скажемо нижче.
Мал. 2.7. Процес подвоєння ДНК
А зараз давайте пильніше розглянемо процес поділу клітини. Спочатку пари хромосом знаходяться в ядрі в деспіралізованном стані і невиразні під мікроскопом. Про таких клітинах кажуть, що вони знаходяться в інтерфазі. У них генетичний матеріал, відомий як хроматин, являє собою закручений масу і не настільки компактний, наскільки в той час, коли хромосоми помітні під мікроскопом. Хроматин отримав свою назву через те, що він офарблювався в темний колір спеціальними кольоровими барвниками. Це сталося ще задовго до того, як люди дізналися про його істинної функції. Як уже згадувалося, соматичні клітини людини мають 23 пари хромосом. Двадцять дві пари являють собою так звані аутосомні хромосоми, однакові у чоловіків і жінок. Двадцять третя пара представлена статевими хромосомами, які різні в чоловіків і жінок. Жінки мають дві великі хромосоми, названі X-хромосомами, а чоловіки - одну велику Х-хромосому і одну маленьку Y-хромосому. У хромосом однієї пари однотипну будову. Однак хромосоми, отримані від різних батьків, несуть різну інформацію, і в цьому сенсі хромосомні пари не ідентичні.
Мітоз, показаний на рис. 2.8, - універсальний спосіб поділу будь-яких еукаріотів. Мітоз складається з чотирьох основних чітко помітних фаз: профази, метафази, анафази, телофази. Коли клітина приступає до поділу, генетичний матеріал кожної хромосоми вже подвоївся. У профазі число хромосом відповідає 46, але кожна хромосома подвійна, тобто складається з двох сестринських хроматид.
Щоб приступити до подвоєння генетичного матеріалу, клітці треба буде розв'язати важку задачу - розкрутити спіраль ДНК. Більшість з нас думають, що хромосома не так вже й довга, тому що саме такими ми звикли бачити їх на всіх малюнках. Насправді ж в інтерфазних клітці молекула ДНК знаходиться в суперспіралізованном стані, тобто скручена дуже щільно і в певному порядку. Показовим є той факт, що якби молекула ДНК знаходилася всередині клітини в розкрученому стані, то її довжина становила б близько 1 м! Тільки уявіть собі, наскільки складною і впорядкованої повинна бути упаковка такої великої кількості генетичного матеріалу всередині мікроскопічної клітини. Звідси стає зрозумілим, чому в клітині подвійна спіраль молекули ДНК упакована в компактну структуру, утворену за рахунок взаємодії з цілим рядом білків, званих гистонами. Таким чином, хромосомні білки упаковують гігантську молекулу в ядро об'ємом всього в кілька кубічних мікрон (рис. 2.9).
Безпосередньо перед початком процесу реплікації молекула ДНК розкручується ферментом ХЕЛІКАЗОЙ. Потім водневі зв'язки розриваються, ланцюги розходяться, і на їх матриці за принципом комплементарності утворюються дочірні ланцюга.
Розподіл клітин строго контролюється. Існують клітини, які діляться досить часто. До них відносяться клітини кісткового мозку. Інші клітини, наприклад клітини кістки, діляться головним чином під час активного росту органу або його пошкодження. Нарешті, існують клітини, які діляться дуже рідко або не діляться взагалі. До такого типу відносяться зрілі нервові клітини. Неконтрольоване ділення і зростання клітин є ознакою їх ракового переродження. Процес поділу клітин вимагає регуляторів, які називаються факторами активації. Прикладами таких факторії є фактори росту. Вивчення факторів росту одне з найбільш швидко розвиваються, на стику сучасної біології і медицини. Багато факторів в даний час виділені і частково охарактеризовані.
Фактори активації зазвичай працюють, змінюючи форму ДНК і дозволяючи ДНК-полімерази, відповідальної за реплікацію ДНК, зв'язатися з нею. ДНК-полімераза спочатку знаходить специфічний ділянку в молекулі ДНК. Ця ділянка, що має вигляд петлі, необхідний для зв'язування ДНК-полімерази з ДНК. У свою чергу, він утворюється при зв'язуванні фактора активації з ДНК. Ділянка молекули ДНК, де відбувається приєднання ДНК-полімерази і починається процес реплікації, називається точкою початку реплікації. Слід також знати, що для ініціації синтезу ДНК потрібні короткі послідовності РНК, що виконують функції «запалів» (праймерів). Зв'язавшись з молекулою ДНК, ДНК-полімераза просувається уздовж материнської ланцюга, добудовуючи дочірню ланцюг за принципом комплементарності.
Мал. 2.9. ДНК закручена навколо гістонів і потім згорнута в хромосому
Одна з найважливіших функцій ДНК-полімерази полягає у виправленні помилок у знову синтезованої ланцюга ДНК. Дізнаючись неправильні пари основ, ДНК-полімераза повертається на один крок назад, неправильне підставу видаляється з дочірньою ланцюга, а правильне вставляється. В результаті число помилок при реплікації ДНК становить приблизно одна помилка на 10-100 млрд пар основ. Однак, так як клітини діляться досить часто, помилки неминуче накопичуються. Багато з цих помилок позначаються на життєздатності клітин. Якщо клітини, в яких відбулася мутація, все ж виживають, імунна система руйнує їх за допомогою спеціальних, пристосованих для цих цілей клітин.
Дозвольте тепер повернутися до процесу поділу клітини. У профазі мітозу хромосоми складаються з двох хроматид, що є результатом реплікації ДНК в інтерфазі. Однак під мікроскопом їх реєструвати не вдається, тому що в профазі сестринські хроматиди тісно пов'язані один з одним, взаємно спіралізуясь одна щодо іншої. У прометафазі ядерна мембрана руйнується, і хромосоми починають рухатися у напрямку до екваторіальній площині клітини. Цей процес забезпечує нормальне розбіжність хромосом до полюсів клітини під час клітинного поділу, в результаті чого в кожну з знову утворюються клітин потрапляє повний набір хромосом. Сестринські хроматиди однієї хромосоми пов'язані один з одним в точці, названої центромерой. В області центромери розташований кінетохор - складна білкова структура, пов'язана з ДНК центромерного ділянки. До цієї зони під час мітозу прикріплюються нитки веретена поділу. Як ви вже спостерігали, на полюсах клітини розташовані центриоли, число яких перед поділом клітини також зростає вдвічі. Центриоли беруть участь у формуванні ниток веретена поділу. Кожна нитка веретена прикріплюється до однієї хромосомі в області кінетохора. У другій фазі мітозу, метафазі, хромосоми, що складаються з двох хроматид, шикуються в екваторіальній площині клітини.
Нитки веретена поділу розтягують хромосоми, звані з цього моменту дочірніми хромосомами, до протилежних кінцях клітини. Фаза, протягом якої хромосоми переміщуються в різні боки, називається анафазу. Якщо все відбувається за планом, центриоль ділиться, і сестринські хроматиди розходяться до полюсів клітини. Якщо хромосоми не шикуються в екваторіальній площині клітини в належному порядку, процес поділу клітини може порушитися.
Після того як хромосоми розійшлися до протилежних кінцях батьківської клітини, клітина ділиться надвоє в результаті цітокінеза. Четверта і заключна стадія мітозу називається телофаза. Клітини, що розмножуються шляхом мітозу, як уже згадувалося, називаються соматичними. До них відносяться всі клітини нашого організму, за винятком клітин, які згодом стануть сперматозоїдами або яйцеклітинами. Клітини, які вносять вклад в освіту нового організму, називаються статевими клітинами. Статеві клітини утворюються в результаті мейозу, який ми і розглянемо в наступному розділі.
Мітоз зазвичай проходить без будь-якої затримки. Однак в будь-який момент в організмі людини відбуваються мільйони клітинних поділів. Час від часу в клітинах виявляється занадто багато генетичного матеріалу, в той час як в інших його може виявитися менше норми. Зазвичай такі клітини не виживають або видаляються імунною системою.