Các sinh vật đơn bào sử dụng chủ yếu phân chia tế bào để sinh sản , ở các sinh vật đa bào phân bào cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển và sửa chữa các mô (hình 9.1). Bất kì tế bào nào phân chia cũng đều trải qua 4 giai đoạn như sau:
- Đầu tiên xuất hiện các dấu hiệu sinh sản . Các dấu hiệu này có thể xuât hiện bên trong hoặc bên ngoài tế bào .
- Quá trình sao chép ADN (vật chất di truyền ) và các thành phần khác của tế bào sống được thực hiện để đảm bảo hai tế bào mới được sinh ra giống hệt nhau và có đầy đủ các chức năng.
- Tế bào phân phối các ADN đã được sao chép vào hai tế bào mới . Đây là quá trình phân chia.
- Các vật chất mới được bổ sung vào màng tế bào ( và vách tế bào đối với các sinh vật có vách tế bào) để hoàn thành quá trình phân ly thành 2 tế bào mới. Đây là quá trình phân chia tế bào chất. 4 sự kiện này sẽ xuất hiện trong bất kì quá trình phân chia nào cả ở tế bào nhân sơ và nhân chuẩn..
Prokaryote phân chia bằng trực phân
Ở các sinh vật nhân sơ, phân bào là cách sinh sản duy nhất của toàn bộ các sinh vật đơn bào. Tế bào phát triển đến kích thước nhất định, sao chép ADN sau đó phân chia thành hai tế bào mới. Đây là quá trình trực phân.
Dấu hiệu sinh sản: Tỉ lệ sinh sản của nhiều loài nhân sơ phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Vi khuẩn Escherichia coli, một loài được dùng phổ biến trong nghiên cứu di truyền học , là một “cỗ máy phân chia tế bào” , quá trình phân chia diễn ra liên tục. Ở điều kiện bình thường, 37°C quá trình phân chia diễn ra trong 40 phút. Nhưng nếu nguồn Cacbonhydrat và muối dồi dào, quá trình phân chia chỉ mất 20 phút. Một loại vi khuẩn khác Baccillus subtilis, ngừng phân chia khi lượng thức ăn cung cấp ít và sẽ tiếp tục phân chia trở lại nếu điều kiện được cải thiện hơn. Những quan sát này gợi ý rằng các nhân tố bên ngoài như nguồn vật chất trong môi trường, kiểm soát bước khởi đầu quá trình phân bào ở các sinh vật nhân sơ.
Sao chép ADN . Một nhiễm săc thể, chúng ta đã thấy ở chương 4, là một phân tử ADN chứa các thông tin di truyền. Khi tế bào phân chia, tất cả các nhiễm sắc thể được sao chép thành 2 bản, mối bản sẽ được phân chia vào 1 trong 2 tế bào mới được sinh ra. Hầu hết các sinh vật nhân sơ chỉ có 1 nhiễm sắc thể, một phân tử ADN đơn mạch thẳng với các Protein liên kết với nó. Trong vi khuẩn E.coli, ADN là một phân tử liên tục thường được nghiên cứu ở dạng các nhiễm sắc thể vòng. Nếu ADN của vi khuẩn đựoc sắp xếp thành một vòng, vóng đó sẽ có chu vi khoảng 1.6 triệu nm (1.6mm). Bản thân vi khuẩn đó chỉ cú đường kớnh 1àm (1000nm) và dài khoảng 4àm. Do đú ADN của vi khuẩn, khi trải ra chúng sẽ tạo thành 1 vòng tròn lớn gấp 100 lần tế bào! Để nằm vừa trong tế bào, ADN phải được đóng gói. Các phân tử ADN được đóng gói bằng cách tự cuộn xoắn, các protein mang điện tích dương (bazơ) liên kết với các ADN mang điện tích âm (axit) để cuộn xoắn. Sự xuất hiện các nhiễm sắc thể vòng là điểm đặc trưng cho tất cả các sinh vật nhân sơ, cũng như ở 1 số virut và cũng đựoc tìm thấy ở lục lạp và ty thể của tế bào nhân chuẩn.
Về chức năng, nhiễm sắc thể của sinh vật nhân sơ có hai vùng đặc biệt quan trọng với quá trình sinh sản:
- Vị trí mà quá trình sao chép vòng đựợc bắt đầu : mở đầu quá trình sao chép, kí hiệu là ori - Vị trí kết thúc quá trình sao chép : điểm cuối của quá trình sao chép, ter Quá trình sao chép nhiễm sắc thể diễn ra khi ADN mở xoắn thông qua một “phức hệ sao chép” của các Protein ở trung tâm của tế bào. Các Protein này bao gồm các enzym ADN
polymeraza, cấu tạo của chúng sẽ được tìm hiểu kĩ hơn ở chương 11. Trong suốt quá trình sao chép ADN của tế bào nhân sơ , tế bào phát triển và điều khiển một cơ chế để phân chia các ADN vào các tế bào con mới hình thành.
Quá trình phân ly ADN : Sự sao chép ADN là tiền đề cho quá trình phân ly. Các phân tử ADN đã được sao chép sẽ đi về 2 tế bào mới.Vùng đầu tiên được sao chép là ori, vùng này gắn với màng sinh chất. Hai vùng ori được tạo ra sẽ phân chia khi các nhiễm sắc thể và các màng sinh chất mới được hình thành giữa chúng, giai đoạn này kéo dài hơn (hình 9.2) Khi kết thúc quá trình sao chép có hai bộ nhiễm sắc thể được hình thành, tế bào vi khuẩn kéo dài.
Sự phân bào Tế bào phân chia hay phân bào, bắt đầu sau khi quá trình sao chép nhiễm sắc thể kết thúc được 20 phút. Đầu tiên ở màng sinh chất hình thành gờ thắt tròn giống như dây thắt miệng túi. Các sợi liên kết các Protein tương tự như hệ vi ống của sinh vật
nhân chuẩn là thành phần chính của vòng dây này. Khi màng sinh chất thắt lại, các nguyên liệu xây dựng vách tế bào mới được tổng hợp.Quá trình phân chia hoàn thành.
Eukaryote phân chia bằng nguyên phân hoặc giảm phân
Các tế bào nhân chuẩn phức tạp, như ở người và thực vật có hoa, đều có nguồn gốc từ tế bào đơn giản , từ trứng đựợc thụ tinh. Tế bào này sinh ra từ hai tế bào giới tính của của cơ thể bố mẹ (giao tử) kết hợp với nhau. Các giao tử là trứng và tinh trùng chứa các vật chất di truyền của tế bào bố mẹ. Như vậy trứng được thụ tinh chứa 1 bộ nhiễm sắc thể của bố và một của mẹ. Sự hình thành cơ thể đa bào từ trứng được thụ tinh được gọi là sự phát triển. Nó liên quan đến cả sự sinh sản tế bào và biệt hoá tế bào. Ví dụ, một người trưởng thành có vài ngàn tỉ tế bào, tất cả các tế bào đều có nguồn gốc tận cùng từ trứng được thụ tinh, và rất nhiều tế bào có vai trò biệt hoá..Quá trình biệt hoá diễn ra như thế nào sẽ được xem xét trong phần 3. Ở đây chúng ta tập trung vào sự sinh sản của tế bào. Sinh sản ở tế bào nhân chuẩn, cũng giống như sở tế bào nhân sơ, có 4 giai đoạn : dấu hiệu sinh sản, sao chép ADN, phân ly và phân chia tế bào chất. Nhưng ở một mức độ nào đó các giai đoạn diễn ra phức tạp hơn. Đầu tiên khác với tế bào nhân sơ , các tế bào nhân chuẩn không phân chia liên tục bất cứ khi nào điều kiện môi trường thích hợp. Trong thực tế các tế bào nhân chuẩn trong cơ thể đa bào biệt hoá và hiếm khi phân chia. Vì vậy các dấu hiệu phân chia không liên quan đến môi trường của một tế bào đơn giản mà nó liên quan đến toàn bộ sinh vật. Thứ hai không chỉ có một nhiễm sắc thể đơn, sinh vật nhân chuẩn thường có nhiều nhiễm sắc thể ( người có 46) vì vậy quá trình sao chép và phân chia về cơ bản giống với nhân sơ nhưng phức tạp hơn (hình 9.1). Thứ ba tế bào nhân chuẩn có nhân riêng biệt, nhân này sẽ được sao chép và phân chia thành hai nhân mới. Do đó quá trình phân chia tế bào chất được phân biệt với phân chia vật chất di truyền. Cuối cùng, sự phân chia tế bào chất khác nhau ở tế bào thực vật(có vách tế bào) và tế bào động vật (không có vách). Điểm khác biệt chủ yếu giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn trong sinh sản tế bào là ở sinh vật nhân chuẩn các nhiễm sắc thể mới được sao chépvẫn bát cặp với các nhiễm sắc thể còn lại như các nhiễm sắc tử chị em, và có một cơ chế mới ,nguyên phân, để phân chia chúng vào hai nhân mới. Sinh sản ở tế bào nhân chuẩn bao gồm 3 bước đặc trưng :
- Sự sao chép ADN trong nhân
- Cuộn xoắn và phân chia ADN đã được sao chép vào hai nhân mới (phân chia nhân) - Phân chia tế bào chất (phân bào)
Một cơ chế thứ hai của quá trình phân chia nhân , đó là giảm phân, xảy ra ở tế bào mầm để tạo ra giao tử đóng góp cho quá trình sinh sản tạo ra cơ thể mới. Trong khi hai tế bào mới được sinh ra trong nguyên phân giống hệt tế bào mẹ - chúng có ADN giống nhau, sản phẩm của quá trình giảm phân thì không giống như vậy. Giảm phân tạo ra tính đa dạng của sinh vật bàng cách thay đổi vật chất di truyền, tạo ra các tổ hợp gen mới.Nó đóng vai trò quan trọng trong chu trình sống của sinh vật sinh sản hữu tính.
Cái gì quyết định tế bào có phân chia hay không?Nguyên phân tạo ra các tế bào giống hệt nhau như thế nào? Tại sao giảm phân lại tạo ra tính đa dạng? Tại sao chúng ta cần các tế bào giống hệt nhau và các tế bào khác nhau? Tại sao hầu hết các sinh vật nhân chuẩn đều sinh sản hữu tính? Phần tiếp theo chúng ta sẽ mô tả chi tiết kì trung gian của nguyên phân và giảm phân và tác động của chúng trong di truyền , phát triển và tiến hoá của sinh vật.