Skip to main content
Global

10.1: تقسيم الخلايا

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196410

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    المهارات اللازمة للتطوير

    • وصف بنية جينومات بدائية النواة وحقيقية النواة
    • التمييز بين الكروموسومات والجينات والصفات
    • وصف آليات ضغط الكروموسوم

    إن استمرارية الحياة من خلية إلى أخرى لها أساسها في تكاثر الخلايا عن طريق دورة الخلية. دورة الخلية عبارة عن تسلسل منظم من الأحداث التي تصف مراحل حياة الخلية من تقسيم الخلية الأم الوحيدة إلى إنتاج خليتين صغيرتين جديدتين. يتم تنظيم الآليات المشاركة في دورة الخلية بدرجة عالية.

    الحمض النووي الجيني

    قبل مناقشة الخطوات التي يجب أن تتخذها الخلية للتكرار، من الضروري فهم أعمق لبنية ووظيفة المعلومات الوراثية للخلية. يُطلق على الحمض النووي للخلية، الذي يتم تعبئته كجزيء DNA مزدوج الشريط، اسم الجينوم الخاص بها. في بدائيات النواة، يتكون الجينوم من جزيء DNA واحد مزدوج السلاسل في شكل حلقة أو دائرة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تسمى المنطقة في الخلية التي تحتوي على هذه المادة الوراثية بالنوكليويد. تحتوي بعض بدائيات النواة أيضًا على حلقات أصغر من الحمض النووي تسمى البلازميدات التي ليست ضرورية للنمو الطبيعي. يمكن للبكتيريا تبادل هذه البلازميدات مع بكتيريا أخرى، وتتلقى أحيانًا جينات جديدة مفيدة يمكن للمتلقي إضافتها إلى الحمض النووي الكروموسومي. مقاومة المضادات الحيوية هي إحدى السمات التي غالبًا ما تنتشر عبر مستعمرة بكتيرية من خلال تبادل البلازميد.

    يُظهر الرسم التوضيحي خلية بدائية النواة مع كروموسوم دائري واحد يطفو بحرية في السيتوبلازم.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تحتوي بدائيات النواة، بما في ذلك البكتيريا والعتيقة، على كروموسوم دائري واحد يقع في منطقة مركزية تسمى النواة.

    في حقيقيات النوى، يتكون الجينوم من عدة جزيئات DNA خطية مزدوجة السلاسل (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يحتوي كل نوع من حقيقيات النوى على عدد مميز من الكروموسومات في نوى خلاياه. تحتوي خلايا جسم الإنسان على 46 كروموسومًا، بينما تحتوي الأمشاج البشرية (الحيوانات المنوية أو البيض) على 23 كروموسومًا لكل منها تحتوي خلية الجسم النموذجية، أو الخلية الجسدية، على مجموعتين متطابقتين من الكروموسومات، وهو تكوين يعرف باسم ثنائي الصبغيات. يستخدم الحرف n لتمثيل مجموعة واحدة من الكروموسومات؛ لذلك، يتم تعيين كائن ثنائي الصبغيات 2 n. تسمى الخلايا البشرية التي تحتوي على مجموعة واحدة من الكروموسومات بالأمشاج، أو الخلايا الجنسية؛ وهي البويضات والحيوانات المنوية، ويتم تصنيفها بـ 1 n أو أحادية الصبغيات.

    يتم صبغ كل كروموسوم الـ 23 من أنثى بشرية بلون مختلف حتى يمكن تمييزها. خلال معظم دورة الخلية، يتم تمديد كل كروموسوم إلى خيط رقيق ينثني على نفسه، مثل قطعة من السباغيتي. تملأ الكروموسومات النواة الكروية بأكملها، ولكن كل واحدة موجودة في جزء مختلف، مما ينتج عنه كرة متعددة الألوان. أثناء الانقسام الفتيلي، تتكثف الكروموسومات في أشرطة سميكة ومدمجة، ولكل منها لون مختلف. يمكن ترتيب هذه الأشرطة بترتيب عددي لتشكيل النمط النووي. توجد نسختان من كل كروموسوم في النمط النووي.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): هناك 23 زوجًا من الكروموسومات المتجانسة في خلية جسدية بشرية أنثوية. يتم عرض الكروموسومات المكثفة داخل النواة (أعلى)، ويتم إزالتها من خلية في الانقسام الفتيلي وتنتشر على شريحة (على اليمين)، ويتم ترتيبها بشكل مصطنع وفقًا للطول (على اليسار)؛ ترتيب مثل هذا يسمى النمط النووي. في هذه الصورة، تعرضت الكروموسومات للبقع الفلورية للتمييز بين الكروموسومات المختلفة. تستخدم طريقة التلوين المسماة «الرسم بالكروموسوم» الأصباغ الفلورية التي تبرز الكروموسومات بألوان مختلفة. (الائتمان: المشروع الوطني للجينوم البشري/المعاهد الوطنية للصحة)

    تسمى الأزواج المتطابقة من الكروموسومات في كائن ثنائي الصبغيات بالكروموسومات المتجانسة («نفس المعرفة»). الكروموسومات المتجانسة لها نفس الطول ولها أجزاء محددة من النيوكليوتيد تسمى الجينات في نفس الموقع أو المكان بالضبط. تحدد الجينات، وهي الوحدات الوظيفية للكروموسومات، خصائص محددة عن طريق الترميز لبروتينات معينة. السمات هي الاختلافات في تلك الخصائص. على سبيل المثال، لون الشعر هو سمة ذات سمات شقراء أو بنية أو سوداء.

    تنشأ كل نسخة من زوج متماثل من الكروموسومات من والد مختلف؛ وبالتالي، فإن الجينات نفسها ليست متطابقة. يرجع اختلاف الأفراد داخل الأنواع إلى التركيبة المحددة للجينات الموروثة من كلا الوالدين. حتى التسلسل المتغير قليلاً من النيوكليوتيدات داخل الجين يمكن أن يؤدي إلى سمة بديلة. على سبيل المثال، هناك ثلاثة تسلسلات جينية محتملة على الكروموسوم البشري الذي يرمز لنوع الدم: التسلسل A والتسلسل B والتسلسل O. نظرًا لأن جميع الخلايا البشرية ثنائية الصبغيات تحتوي على نسختين من الكروموسوم الذي يحدد نوع الدم، يتم تحديد نوع الدم (السمة) من خلال نسختين من العلامة يتم توريث الجينات. من الممكن الحصول على نسختين من نفس التسلسل الجيني على كل من الكروموسومات المتماثلة، مع واحدة على كل منها (على سبيل المثال، AA أو BB أو OO)، أو تسلسلين مختلفين، مثل AB.

    تساهم الاختلافات الطفيفة في السمات، مثل فصيلة الدم ولون العين واستخدام اليد، في الاختلاف الطبيعي الموجود داخل الأنواع. ومع ذلك، إذا تمت مقارنة تسلسل الحمض النووي بأكمله من أي زوج من الكروموسومات البشرية المتجانسة، يكون الفرق أقل من واحد بالمائة. تعد الكروموسومات الجنسية، X و Y، الاستثناء الوحيد لقاعدة توحيد الكروموسوم المتماثل: بخلاف كمية صغيرة من التماثل الضروري لإنتاج الأمشاج بدقة، تختلف الجينات الموجودة في الكروموسومات X و Y.

    هيكل الكروموسومات حقيقية النواة والضغط

    إذا تم وضع الحمض النووي من جميع الكروموسومات البالغ عددها 46 كروموسومًا في نواة الخلية البشرية من طرف إلى طرف، فسيكون قياسه حوالي مترين؛ ومع ذلك، سيكون قطرها 2 نانومتر فقط. بالنظر إلى أن حجم الخلية البشرية النموذجية يبلغ حوالي 10 ميكرومتر (100000 خلية مصطفة حتى متر واحد)، يجب تعبئة الحمض النووي بإحكام ليلائم نواة الخلية. في الوقت نفسه، يجب أيضًا أن يكون متاحًا بسهولة حتى يتم التعبير عن الجينات. خلال بعض مراحل دورة الخلية، يتم تكثيف خيوط الحمض النووي الطويلة في كروموسومات مضغوطة. هناك عدد من الطرق التي يتم بها ضغط الكروموسومات.

    في المستوى الأول من الضغط، تلتف امتدادات قصيرة من اللولب المزدوج للحمض النووي حول نواة من ثمانية بروتينات هيستون على فترات منتظمة على طول الكروموسوم بالكامل (الشكل\(\PageIndex{3}\)). يُطلق على مجمع الحمض النووي هيستون اسم الكروماتين. يُطلق على مركب الحمض النووي الهيستون الشبيه بالخرز اسم النيوكليوسوم، ويسمى الحمض النووي الذي يربط النيوكليوسومات بالحمض النووي الرابط DNA. يكون جزيء الحمض النووي في هذا الشكل أقصر بحوالي سبع مرات من اللولب المزدوج بدون الهستونات، ويبلغ قطر الخرز حوالي 10 نانومتر، على عكس قطر 2 نانومتر من اللولب المزدوج للحمض النووي. يحدث المستوى التالي من الضغط عندما يتم لف النيوكليوسومات والحمض النووي الرابط بينهما في ألياف كروماتين 30 نانومتر. يؤدي هذا اللف إلى تقصير الكروموسوم بشكل أكبر بحيث أصبح الآن أقصر بحوالي 50 مرة من الشكل الموسع. في المستوى الثالث من التعبئة، يتم استخدام مجموعة متنوعة من البروتينات الليفية لتعبئة الكروماتين. تضمن هذه البروتينات الليفية أيضًا أن كل كروموسوم في خلية غير منقسمة يحتل منطقة معينة من النواة لا تتداخل مع أي كروموسوم آخر (انظر الصورة العلوية في الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    هناك خمسة مستويات لتنظيم الكروموسومات. من الأعلى إلى الأسفل: تُظهر اللوحة العلوية حلزون DNA مزدوج. تُظهر اللوحة الثانية اللولب المزدوج الملفوف حول بروتينات تسمى الهستونات. تُظهر اللوحة الوسطى جزيء الحمض النووي بأكمله وهو يلتف حول العديد من الهستونات، مما يخلق مظهر الخرز على الخيط. تُظهر اللوحة الرابعة أن ألياف الكروماتين تتكثف أكثر في الكروموسوم الموضح في اللوحة السفلية.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يلتف الحمض النووي المزدوج حول بروتينات الهستون لتشكيل النيوكليوسومات التي تبدو على شكل «حبات على خيط». يتم لف النيوكليوزومات في ألياف كروماتين 30 نانومتر. عندما تخضع الخلية للانقسام، تتكثف الكروموسومات أكثر.

    يتكاثر الحمض النووي في المرحلة S من الطور البيني. بعد النسخ المتماثل، تتكون الكروموسومات من كروماتيدين شقيقين مرتبطين. عندما تكون مضغوطة تمامًا، ترتبط أزواج الكروموسومات المتطابقة ببعضها البعض بواسطة بروتينات متماسكة. العلاقة بين الكروماتيدات الشقيقة هي الأقرب في منطقة تسمى السنترومير. يمكن رؤية الكروماتيدات الشقيقة الملتصقة، التي يبلغ قطرها حوالي 1 ميكرومتر، تحت المجهر الضوئي. المنطقة المركزية كثيفة للغاية وبالتالي ستظهر كمنطقة ضيقة.

    رابط إلى التعلم

    توضح الرسوم المتحركة المستويات المختلفة لتعبئة الكروموسومات.

    ملخص

    تحتوي بدائيات النوى على كروموسوم دائري واحد يتكون من الحمض النووي المزدوج، بينما تحتوي حقيقيات النوى على كروموسومات خطية متعددة تتكون من الكروماتين المحاط بغشاء نووي. تتكون الكروموسومات الـ 46 للخلايا الجسدية البشرية من 22 زوجًا من الأوتوسومات (الأزواج المتطابقة) وزوج من الكروموسومات الجنسية، والتي قد تكون متطابقة أو لا. هذه هي الحالة 2 n أو الحالة ثنائية الصيغة الصبغية. تحتوي الأمشاج البشرية على 23 كروموسومًا أو مجموعة واحدة كاملة من الكروموسومات؛ تكتمل مجموعة الكروموسومات بأي من الكروموسومات الجنسية. هذه هي الحالة n أو الحالة أحادية الصيغة الصبغية. الجينات هي أجزاء من الحمض النووي التي ترمز لبروتين معين. يتم تحديد سمات الكائن الحي من خلال الجينات الموروثة من كل والد. تتكون الكروموسومات المكررة من كروماتيدات شقيقة. يتم ضغط الكروموسومات باستخدام مجموعة متنوعة من الآليات خلال مراحل معينة من دورة الخلية. تشارك عدة فئات من البروتين في تنظيم وتعبئة الحمض النووي الكروموسومي في بنية مكثفة للغاية. يعمل مركب التكثيف على ضغط الكروموسومات، والبنية المكثفة الناتجة ضرورية لفصل الكروموسومات أثناء الانقسام الفتيلي.

    مسرد المصطلحات

    دورة الخلية
    تسلسل مرتب للأحداث التي تمر بها الخلية بين انقسام خلية وأخرى
    سنترومير
    المنطقة التي ترتبط فيها الكروماتيدات الشقيقة ببعضها البعض؛ منطقة ضيقة في الكروموسومات المكثفة
    الكروماتيد
    جزيء DNA واحد من شريطين من الحمض النووي المكرر والبروتينات المرتبطة به معًا في السينترومير
    مضاعفا
    خلية أو نواة أو كائن حي يحتوي على مجموعتين من الكروموسومات (2 n)
    مشيج
    خلية تناسلية أحادية الصبغية أو خلية جنسية (الحيوانات المنوية أو حبوب اللقاح أو البويضة)
    جين
    الوحدة الفيزيائية والوظيفية للوراثة، وهي سلسلة من الحمض النووي التي ترمز إلى البروتين.
    جينوم
    إجمالي المعلومات الجينية للخلية أو الكائن الحي
    أحادية الصيغة الصبغية
    خلية أو نواة أو كائن حي يحتوي على مجموعة واحدة من الكروموسومات (n)
    هيستون
    واحد من العديد من البروتينات الأساسية المتشابهة والمحفوظة للغاية وذات الوزن الجزيئي المنخفض الموجودة في الكروماتين لجميع الخلايا حقيقية النواة؛ يرتبط بالحمض النووي لتكوين النيوكليوسومات
    كروموسومات متماثلة
    كروموسومات من نفس التشكل مع جينات في نفس الموقع؛ تحتوي الكائنات ثنائية الصبغيات على أزواج من الكروموسومات المتماثلة (المتجانسة)، مع اشتقاق كل متماثل من أصل مختلف
    نقطة
    موضع الجين على الكروموسوم
    نيوكليوسوم
    وحدة فرعية من الكروماتين تتكون من طول قصير من الحمض النووي ملفوفة حول نواة من بروتينات الهستون