1.6. تقسیم سلولی

زب

مفاهیم

  • میتوز، تقسیم هسته سلول به دو هسته دختری یکسان از نظر ژنتیکی است.
  • کروموزوم‌ها به وسیله supercoiling (درهم تنیدگی پیچشی)طی میتوز ضخیم و متراکم می‌شوند.
  • سیتوکینز (تقسیم سیتوپلاسم) پس از میتوز رخ می‌دهد و در سلول‌های جانوری و گیاهی متفاوت است.
  • اینترفاز، فازی بسیار فعال از چرخه سلولی‌ به همراه فرآیندهای متعدد در هسته و سیتوپلاسم است.
  • سایکلین‌ها در تنظیم چرخه سلولی نقش دارند.
  • موتاژن‌ها، اونکوژن‌ها و متاستاز در تشکیل تومور اولیه و تومور ثانیه نقش دارند.

کاربرد علم

  • ارتباط بین سیگار کشیدن و شانس ابتلای به سرطان.

مهارت آموزی

  • تشخیص فازهای مختلف میتوز در سلول‌های مشاهده شده به وسیله میکروسکوپ.
  • تعیین شاخص میتوزی از روی یک میکروگراف.

ماهیت علم

  • توفیق اجباری و اکتشافات علمی: کشف سایکلین‌ها کاملاً اتفاقی بود!

نقش میتوز

میتوز، تقسیم هسته سلول به دو هسته دختری یکسان از نظر ژنتیکی است.

هسته یک سلول یوکاریوتی می‌تواند طی فرآیندی به نام میتوز به دو هسته دختری یکسان از نظر ژنتیکی تبدیل شود. میتوز به سلول‌ها اجازه می‌دهد که به دو سلول دختری که هر کدام از آن­‌ها هسته دارند تقسیم شوند پس از نظر ژنتیکی با هم یکسان می‌باشند.

پیش از آنکه میتوز رخ دهد، همه DNA موجود در هسته باید تکثیر شود. این مسئله طی اینترفاز، مرحله‌ای پیش از میتوز، انجام می‌پذیرد. در هسته محتوای هر کروموزوم از یک مولکول DNA به دو مولکول DNA یکسان تبدیل می‌شوند. به هر مولکول DNA در کروموزوم، کروماتید می‌گویند. طی میتوز به هر کدام از هسته‌های دختری تازه ایجاد شده یک کروماتید منتقل می‌شود.

میتوز در مواقعی که به سلول‌هایی با هسته یکسان ژنتیکی نیاز باشد، رخ می­‌دهد مثال‌هایی از این موارد عبارتند از: تکوین جنینی، رشد، ترمیم بافت و تولید مثل غیرجنسی.

اگرچه میتوز یک فرایند پیوسته است،زیست شناسان سلولی این فرآیند را به چهار مرحله تقسیم کرده‌اند: پروفاز، متافاز، آنافاز و تلوفاز. هر کدام از این مراحل در بخش بعدی توضیح داده می‌شوند.مم

اینترفاز

اینترفاز، فازی بسیار فعال از چرخه سلولی‌ به همراه فرآیندهای متعددی در هسته و سیتوپلاسم است.

طی اینترفاز تعداد میتوکندری‌های درون سیتوپلاسم افزایش می‌یابد. این مسئله در اثر رشد و تقسیم میتوکندری‌ها منجر می‌شود. در سلول‌های گیاهی و جلبک‌ها تعداد کلروپلاست‌ها نیز به همان صورت افزایش پیدا می‌کند. همچنین در اینترفاز سنتز سلولز و اضافه کردن آن­ به دیواره سلولی به وسیله  وزیکول‌ها نیز انجام می‌شود. چرخه سلولی زنجیره­ای از اتفاقاتی­ست که میان یک تقسیم سلولی تا تقسیم بعدی رخ می­‌دهد. این چرخه دو فاز اصلی دارد: اینترفاز و فاز تقسیم سلول. اینترفاز، فازی بسیار فعال در زندگی یک سلول است که طی آن بسیاری از واکنش‌های متابولیکی انجام می‌شوند. برخی از این­‌ها، مانند واکنش‌های تنفس سلولی، طی تقسیم سلولی هم رخ می‌دهند ولی تکثیر DNA در هسته و سنتز پروتئین در سیتوپلاسم، صرفاً در زمان اینترفاز انجام می‌شوند.

ملم

اینترفاز خود از سه فاز G1، S و G2 تشکیل شده است. در فاز S، سلول تمام محتوای ژنتیکی درون هسته خود را تکثیر می‌کند تا پس از میتوز هر دو سلول تازه ایجاد شده یک سری کامل از ژن‌ها را داشته باشند. برخی از سلول‌ها از مرحله G1 عبور نمی‌کنند، زیرا این سلول­‌ها نیازی به تقسیم شدن ندارند، در نتیجه احتیاجی هم ندارند که برای میتوز آماده شوند. این سلول‌ها به صورت موقتی یا دائم وارد فازG0 می‌شوند.

فعالیت
تعداد دفعاتی که اکثر سلول‌های درون یک ارگانیسم می‌توانند تحت میتوز قرار بگیرند محدود است. برای مثال سلول‌های جدا شده از جنین انسان چیزی بین 40 تا 60 بار می‌توانند تقسیم شوند ولی با درنظر گرفتن اینکه در هربار تقسیم جمعیت سلول‌ها دو برابر می‌شود پس با همین تعداد تقسیم هم به راحتی سلول‌های مورد نیاز برای تشکیل بدن بالغ انسانی تامین می‌شود. برخی از سلول‌ها استثنائاً می‌توانند بسیار بیشتر از این مقادیر تقسیم شوند مثلاً اپی‌تلیوم لایه ژرمینال بیضه‌ها اینگونه است. این لایه سلولی با تقسیم خود سلول‌های مورد استفاده در تولید اسپرم‌ها را می‌سازند. بحث کنید که طی زندگی یک مرد احتمالاً چه تعداد بار نیاز است این لایه سلولی تقسیم شود؟

 

سوپرکویل شدن کروموزوم‌ها

کروموزوم‌ها طی میتوز با سوپرکویل شدن (درهم تنیدگی پیچشی) متراکم می‌شوند.

طی میتوز، دو کروماتیدی که یک کروموزوم را تشکیل می‌دهند باید از یکدیگر جدا شده و هر کدام به یک قطب متفاوت سلول مهاجرت کنند. مولکول DNA این کروموزوم‌ها به طرز چشمگیری بزرگ است. به طور میانگین، هسته سلول انسان قطری حدود 5 میکرومتر دارد ولی مولکول‌هایDNA این کروموزوم‌ها بیش از 50000 میکرومتر طول دارند. بنابراین نیاز است که این کروموزوم‌ها در ساختارهای کوتاه‌تری بسته بندی شوند. به این پروسه، متراکم شدن کروموزوم می‌گویند و طی اولین مرحله میتوز رخ می‌دهد.

طی متراکم شدن کروموزوم، مولکول‌های DNA پیچ (coil) می‌خورند تا کروموزوم کوتاه‌تر و عریض‌تر شود. به این فرآیند supercoiling می‌گویند. پروتئین‌هایی به نام هیستون‌ که با DNA سلول‌های یوکاریوتی همراه هستند به همراه آنزیم‌ها در supercoiling نقش دارند.

فازهای میتوز

تشخیص فازهای مختلف میتوز در سلول‌های مشاهده شده به وسیله میکروسکوپ.

تعداد بسیار زیادی سلول در حال تقسیم در نوک ریشه‌های درحال رشد وجود دارد. اگر سلول‌های نوک ریشه را با استفاده از تیمارهای شیمیایی جدا کنیم، با له کردن آن می‌توانیم یک تک لایه از سلول‌ها را به منظور مشاهده در زیر میکروسکوپ به دست آوریم. از رنگ‌های متصل شونده به DNA می‌توان برای مشاهده کردن کروموزوم‌ها و مراحل میتوز در زیر میکروسکوپ استفاده کرد.

برای آنکه بتوانیم چهار مرحله میتوز را زیر میکروسکوپ تشخیص دهیم، نیاز است که به خوبی بدانیم در هر مرحله چه اتفاقاتی می‌افتد. پس از مطالعه اطلاعات ارائه شده در این بخش شما قادر خواهید بود سلول‌های در حال تقسیم را به وسیله یک میکروسکوپ یا از روی یک میکروگراف مشاهده کنید و آن‌ها را بر اساس فازهای میتوزی که در آن قرار دارند، مرتب کنید.

مم

مک

مب

شاخص میتوزی

تعیین شاخص میتوزی از روی یک میکروگراف

شاخص میتوزی نسبتی است بین تعداد سلول‌های درگیر میتوز در یک بافت و تمامی سلول‌های مشاهده شده. این شاخص را می‌توان با فرمول زیر محاسبه کرد:

شکل شماره 3، تصویر میکروگراف الکترونی از سلول‌های یک تومور است که از Leydig cell در بیضه تشکیل شده‌اند. شاخص میتوزی این تومور را می‌توان از روی شمارش تعداد سلول‌های درون میکروگراف و سلول‌های درگیر میتوز آن محاسبه کرد.

مئاسلایدی از نوک ریشه یک پیاز یا سیر تهیه کنید. ناحیه مریستمی آن، یا ناحیه‌ای که تقسیم سلولی سریعی دارد را بیابید و بررسی کنید.برای یافتن شاخص میتوزی بخشی از نوک ریشه که در آن سلول‌ها به سرعت تقسیم می‌شوند، باید مراحل زیر طی شوند:

  • یک نمودار شمارشی (Tally chart) رسم کنید. به گونه‌ای که در هر ناحیه آن حدود صد سلول که یا در اینترفاز و یا در حال میتوز هستند، قرار بگیرند.
  • از داده‌های حاصل از این روش برای محاسبه شاخص میتوزی استفاده کنید.

سیتوکینز

سیتوکینز پس از میتوز رخ می‌دهد و در سلول‌های جانوری و گیاهی متفاوت است.

سلول‌ها می‌توانند، زمانی که دو هسته کاملاً از نظر ژنتیکی مشابه هستند پس از میتوز، تقسیم شوند. به فرآیند تقسیم سلول، سیتوکینز می‌گویند. این فرآیند به طور معمول پیش از پایان یافتن میتوز، شروع می‌شود و در گیاهان و جانوران متفاوت است.

در سلول‌های جانوری غشای پلاسمایی به داخل و به سمت استوای سلول کشیده می‌شود تا یک تورفتگی تقسیمی تشکیل شود. این مسئله به وسیله استفاده از یک حلقه انقباضی از جنس پروتئین درون غشای پلاسمایی و در استوای سلول انجام می‌شود. این پروتئین‌ها اکتین و میوزین هستند که به پروتئین‌های عامل انقباض در ماهیچه‌ها شباهت دارند. زمانی که شکاف و تورفتگی تقسیمی به مرکز سلول رسید، سلول به دو سلول دختری تقسیم می‌شود.

در سلول‌های گیاهی وزیکول‌های حاوی پکتین و سایر ترکیبات به استوای سلول منتقل می‌شوند، جایی که به منظور ایجاد ساختارهای لوله‌ای در اطراف استوا با هم ادغام می‌گردند. با اضافه شدن وزیکول‌های بیشتر به این مجموعه، این ساختارهای لوله مانند با هم ادغام می‌شوند تا دولایه غشا در اطراف استوای سلول ایجاد کنند. این دولایه در نهایت به غشاهای پلاسمایی دو سلول دختری تکامل می‌یابند و به غشاهای پلاسمایی موجود در طرفین سلول نیز متصل می‌باشند. پس از این قسمت، تقسیم سیتوپلاسم تکمیل می‌شود.

مرحله بعدی در تقسیم سلول گیاهی آن است که پکتین‌ها و سایر ترکیبات توسط وزیکول‌ها به فضای بین دو غشا آورده شده و طی اگزوسیتوز در آن‌جا تخلیه ‌شوند. این مسئله باعث تشکیل لاملای میانی می­شود که به دیواره سلولی جدید متصل خواهد شد. پس از آن هر کدام از سلول‌های دختری می‌توانند سلولز را به استوای سلولی منتقل کرده و طی اگزوسیتوز آن را مجاور لاملای میانی تخلیه کنند. در نتیجه هر سلول، دیواره سلولی خودش را مجاور لاملای میانی می‌سازد.

سایکلین‌ها و کنترل چرخه سلولی

سایکلین‌ها در تنظیم چرخه سلولی نقش دارند.

هر مرحله از چرخه سلولی شامل مجموعه اقدامات بسیار مهمی می‌­باشد. پروتئین‌هایی به نام سایکلین وظیفه دارند که از صحت هر کدام از  این اقدامات در زمان مناسب خود مطمئن شوند و تنها در صورت مناسب بودن اوضاع سلول اجازه رفتن به مرحله بعدی از چرخه سلولی را می‌دهد.

سایکلین‌ها به آنزیم‌هایی به نام کینازهای وابسته به سایکلین متصل می‌شوند. سپس این کینازها فعال شده و روی پروتئین‌های دیگر درون سلول، گروه فسفات می‌گذارند. اتصال گروه فسفات به این پروتئین‌ها، آن‌ها را فعال کرده و منجر به اجرای اقدامات خاص آن مرحله از چرخه سلولی می‌شود.

چهار نوع اصلی از سایکلین در سلول‌های انسانی وجود دارد. نمودار شکل شماره 5 نشان می‌دهد چگونه سطح غلظت این سایکلین‌ها رشد و افت می‌کند. با این وجود سایکلین‌ها یک حد غلظت آستانه دارند و تا زمانی‌که غلظتشان به آن حد نرسد، سلول وارد مرحله بعدی چرخه نمی‌شود. در مجموع، سایکلین‌ها کنترل چرخه سلولی را برعهده دارند و مطمئن می‌شوند سلول تنها در زمانی که به سلول‌های جدید احتیاج باشد تقسیم شود نه در هر زمان دیگری.

مل

کشف سایکلین‌ها

توفیق اجباری و اکتشافات علمی: کشف سایکلین‌ها کاملاً اتفاقی بود!

طی تحقیقات، تیم هانت در بررسی کنترل سنتز پروتئین در تخم‌های توتیای دریایی، پروتئینی را کشف کرد که برخلاف سایر پروتئین‌ها که غلظتشان پیوسته افزایش می‌یابد، غلظتش پس از لقاح افزایش و سپس کاهش می‌یابد. این پروتئین در مدت زمانی حدوداً 30 دقیقه، سنتز  و بلافاصله پس از آن تجزیه می‌شد. آزمایشات تکمیلی نشان دادند که غلظت این پروتئین طی یک چرخه تکراری و همزمان با فازهای چرخه سلولی بطور مرتب افزایش و سپس کاهش می‌یابد. تجزیه پروتئین حدوداً 10 دقیقه پس از شروع میتوز انجام می‌شد. هانت نام این پروتئین‌ها را سایکلین گذاشت.

تحقیقات بیشتر از وجود سایکلین‌های دیگری پرده برداشتند که هانت در همان اوایل کار به وجود آن­‌ها مشکوک شده بود، سایکلین‌هایی که فاکتورهای کلیدی در تنظیم چرخه سلولی هستند. تیم هانت به واسطه مطالعاتش در زمینه کشف سایکلین‌ها در سال 2001 مفتخر به دریافت جایزه نوبل پزشکی شد. سخنرانی نوبل او را می‌توان از اینترنت دانلود و مشاهده کرد. در این سخنرانی او چندبار به اهمیت شانس اشاره کرد زیرا در اصل هیچ برنامه از پیش تعیین شده‌ای برای بررسی چگونگی کنترل چرخه سلولی در تحقیقاتش نداشت. این کشف مثالی از توفیق اجباری‌ست، کشفی غیر منتظره که به صورت تصادفی به دست آمد.

فعالیت
تحقیقات سرطان

تومورها می‌توانند در هر بافتی و در هر سنی تشکیل شوند ولی پوست، ریه، روده بزرگ، پستان و پروستات بیش از سایر اندام‌ها در معرض خطر قرار دارند. سرطان یکی از عوامل عمده مرگ و میر انسان‌ها در جوامع امروزی است؛ پس نیاز مبرمی به کشف روش‌های درمان و پیشگیری آن برای مثال از طریق تحقیقات پایه‌ای روی کنترل چرخه سلولی،  احساس می‌شود. تا به امروز پیشرفت زیادی در این زمینه حاصل شده ولی همچنان جای کار بسیاری وجود دارد.

به نظر شما چه کسی باید هزینه تحقیقات در حوزه سرطان را تأمین کند؟

 

تشکیل تومور و سرطان

موتاژن‌ها، اونکوژن‌ها و متازتاز در تشکیل تومور اولیه و تومور ثانیه نقش دارند.

تومورها توده­‌هایی غیرعادی از سلول‌ها هستند که در هر مرحله‌ای از زندگی و در هر بخشی از بدن می‌توانند تشکیل شوند. در برخی موارد سلول‌ها به یکدیگر می‌چسبند و به بافت‌های مجاور یا سایر بخش‌های بدن مهاجرت نمی‌کنند. این نوع از تومورها عمدتاً بعید است که آسیب زیادی به بیمار وارد کنند و به عنوان تومورهای خوش‌خیم طبقه بندی می‌شوند. در سایر تومورها، سلول‌ها می‌توانند جدا شوند و به مکان‌های دیگری از بدن رفته و در آنجا تومورهای ثانویه بسازند. به این تومورها، بدخیم می‌گوییم و بسیار محتمل است که بتوانند زندگی بیمار را تهدید کنند.

بیماری‌های ناشی از تومورهای بدخیم را عموماً با نام سرطان می‌شناسیم. علل مختلفی در بروز این بیماری نقش دارد. مواد شیمیایی و یا عواملی که باعث بروز سرطان می‌شوند را کارسینوژن می‌نامیم، زیرا کارسینوماها در حقیقت تومورهایی بدخیم هستند.کارسینوژن‌های متعددی(مثل برخی از ویروس‌ها) وجود دارند. تمامی موتاژن‌ها چه مواد شیمیایی و چه امواج پر انرژی مانند X-ray و نور فرابنفش با طول موج کوتاه، کارسینوژنیک هستند. این نتیجه‌گیری به این دلیل است که موتاژن‌ها عواملی هستند که باعث بروز جهش ژنی می‌شوند و جهش ژنی هم می‌تواند باعث بروز سرطان شود.

جهش‌ها تغییراتی تصادفی در توالی بازی ژن‌ها هستند. رخ دادن جهش در اکثر ژن‌ها منجر به سرطان نمی‌شود. تعدادی از ژن‌ها که اگر جهش پیدا کنند، باعث ایجاد سرطان می‌شوند را انکوژن می‌نامند. در یک سلول طبیعی انکوژن‌ها در کنترل چرخه سلولی و تقسیم سلولی نقش دارند. بنابراین هرگونه جهش در آن‌ها که منجر به عدم کنترل تقسیم سلولی شود، باعث تشکیل تومور می‌شود.

چندین جهش باید در یک سلول رخ دهند تا آن را تبدیل به سلولی توموری کنند. شانس رخ دادن این مسئله بسیار اندک است ولی با توجه به  اینکه مقادیر بیشماری سلول در بدن داریم ، شانس کلی تشکیل تومور در طول زندگی یک فرد قابل توجه است. زمانی‌که یک تومور تشکیل شد، به طور مرتب تقسیم می‌شود تا دو، چهار، هشت و… سلول بسازد. به این گروه از سلول‌ها تومورهای اولیه می‌گوییم. متاستاز در حقیقت، جابه‌جایی سلول‌ها از تومور اولیه به نقاط دیگر بدن به منظور تشکیل تومور ثانویه است.

سیگار کشیدن و سرطان

ارتباط بین سیگار کشیدن و شانس ابتلای به سرطان.

در علم به ارتباط بین دو فاکتور متغیر، همبستگی می‌گویند. ارتباط بین سیگار کشیدن و سرطان مثال خوبی از همبستگی است. دو نوع همبستگی وجود دارد. زمانی که افزایش یا کاهش یک فاکتور به ترتیب منجر به افزایش یا کاهش فاکتور دیگر شود، می‌گوییم همبستگی مثبت داریم. اما زمانی که افزایش یک فاکتور منجر به کاهش دیگری و یا برعکس شود می‌گوییم همبستگی منفی داریم.

بین سیگار کشیدن و نرخ ابتلا به سرطان، همبستگی مثبت وجود دارد. این مسئله در مطالعات متعددی به اثبات رسیده است. جدول 1 نتایج یکی از بزرگترین و طولانی‌ترین مطالعات در این باره را نشان می‌دهد.

.
جدول 1- از مجله پزشکی بریتانیا (7455) 328 / 24 ژانویه 2004

داده‌ها نشان می‌دهند که هرچقدر سیگار بیشتری در طول روز کشیده شود، نرخ مرگ و میر حاصل از سرطان نیز بیشتر می‌شود. همچنین این داده‌ها نرخ مرگ و میر بالایی را میان افرادی که زمانی سیگار می‌کشیده‌اند و حالا ترک کرده‌اند، نشان می‌دهد.

همچنین نتایج این مطالعه افزایش قابل توجهی را در نرخ مرگ و میر ناشی از سرطان‌های دهان، حلق، حنجره و ریه نشان می‌دهد. این نتایح کاملاً مورد انتظار هستند زیرا دود ناشی از سیگار با این نواحی از بدن در تماس است ولی با این وجود سیگار کشیدن همبستگی مثبتی با سرطان‌های مری، معده، کلیه، مثانه، پانکراس و دهانه رحم (نواحی که دود سیگار مستقیما با آن‌ها در تماس نیست) دارد. هرچند نرخ مرگ و میر ناشی از بقیه سرطان‌ها در افراد سیگاری و غیرسیگاری چندان متفاوت نیست ولی جدول 1 نشان می‌دهد که به طور کلی افراد سیگاری بسیار بیشتر از افراد غیرسیگاری در معرض مرگ ناشی از تمامی سرطان‌ها هستند.

در علم بسیار مهم است که میان همبستگی و علت، تمایز قائل شویم. کشف همبستگی مثبت میان سیگار کشیدن و سرطان الزاماً به معنای اثبات اینکه سیگار عامل سرطان است، نیست. هرچند که در این مورد ، پیوندهای محکمی میان این دو متغیر وجود دارد. دود سیگار حاوی ترکیبات مختلف شیمیایی است. آزمایشات نشان داده است که بیست مورد از این ترکیبات در ریه حیوانات آزمایشگاهی و یا انسان‌ها تومور ایجاد می‌کنند. شواهدی مبنی بر اینکه حداقل چهل ترکیب شیمیایی دیگر در دود سیگار وجود دارد که کاریسنوژنی هستند. این مسائل با تقریب بسیار بالایی نشان می‌دهند که سیگار یکی از عوامل ابتلای به سرطان است.

 

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید