NGUYÊN PHÂN: CÁC GIAI ĐOẠN VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM, CHỨC NĂNG VÀ CƠ THỂ CỦA CHÚNG - SINH HỌC - 2026

Nguyên phân là một quá trình phân chia tế bào, trong đó một tế bào tạo ra các tế bào con giống hệt nhau về mặt di truyền; hai "con gái" có cùng tải trọng nhiễm sắc thể được tạo ra cho mỗi tế bào. Sự phân chia này diễn ra trong tế bào xôma của sinh vật nhân thực.

Quá trình này là một trong những giai đoạn của chu kỳ tế bào của sinh vật nhân thực, bao gồm 4 giai đoạn: S (tổng hợp DNA), M (phân chia tế bào), G1 và G2 (giai đoạn trung gian nơi sản xuất mRNA và protein) . Cùng với nhau, các pha G1, G2 và S được coi là một giao diện. Sự phân chia nhân và tế bào chất (nguyên phân và tế bào) tạo nên giai đoạn cuối của chu kỳ tế bào.

Tổng quan về nguyên phân. Nguồn: Viswaprabha

Ở cấp độ phân tử, nguyên phân được bắt đầu bằng việc kích hoạt một kinase (protein) được gọi là MPF (Yếu tố thúc đẩy trưởng thành) và kết quả là quá trình phosphoryl hóa một số lượng đáng kể các protein thành phần của tế bào. Sau đó cho phép tế bào biểu hiện những thay đổi hình thái cần thiết để thực hiện quá trình phân chia.

Nguyên phân là một quá trình vô tính, vì tế bào tiền thân và tế bào con của nó có thông tin di truyền hoàn toàn giống nhau. Những tế bào này được gọi là lưỡng bội vì chúng mang bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh (2n).

Mặt khác, Meiosis là quá trình phân chia tế bào dẫn đến sinh sản hữu tính. Trong quá trình này, một tế bào gốc lưỡng bội sao chép các nhiễm sắc thể của nó và sau đó phân chia hai lần liên tiếp (mà không sao chép thông tin di truyền của nó). Cuối cùng, 4 tế bào con được tạo ra chỉ với một nửa số lượng nhiễm sắc thể, được gọi là đơn bội (n).

Tổng quan về nguyên phân

Nguyên phân ở sinh vật đơn bào thường tạo ra các tế bào con rất giống với tế bào sinh dục của chúng. Ngược lại, trong quá trình phát triển của các sinh vật đa bào, quá trình này có thể làm phát sinh hai tế bào với một số đặc điểm khác nhau (mặc dù giống hệt nhau về mặt di truyền).

Sự biệt hóa tế bào này làm phát sinh các loại tế bào khác nhau tạo nên các sinh vật đa bào.

Trong suốt quá trình sống của sinh vật, chu kỳ tế bào diễn ra liên tục, không ngừng hình thành các tế bào mới lần lượt lớn lên và chuẩn bị phân chia qua nguyên phân.

Sự phát triển và phân chia của tế bào được điều chỉnh bởi các cơ chế, chẳng hạn như apoptosis (chết tế bào theo chương trình), cho phép duy trì sự cân bằng, tránh sự phát triển thừa của mô. Bằng cách này, nó được đảm bảo rằng các tế bào bị lỗi được thay thế bằng các tế bào mới, theo yêu cầu và nhu cầu của cơ thể.

Quá trình này có liên quan như thế nào?

Khả năng sinh sản là một trong những đặc điểm quan trọng nhất của tất cả các sinh vật (từ đơn bào đến đa bào) và của các tế bào tạo ra nó. Chất lượng này đảm bảo tính liên tục của thông tin di truyền của bạn.

Hiểu được các quá trình nguyên phân và nguyên phân đóng một vai trò cơ bản trong việc hiểu các đặc điểm tế bào hấp dẫn của sinh vật. Ví dụ, thuộc tính giữ cho số lượng nhiễm sắc thể không đổi từ tế bào này sang tế bào khác trong một cá thể và giữa các cá thể cùng loài.

Khi chúng ta bị một vết cắt hoặc vết thương nào đó trên da, chúng ta sẽ quan sát cách vùng da bị tổn thương phục hồi trong một vài ngày. Điều này xảy ra nhờ quá trình nguyên phân.

Các giai đoạn và đặc điểm của chúng

Nhìn chung, nguyên phân tuân theo cùng một trình tự các quá trình (giai đoạn) ở tất cả các tế bào nhân thực. Trong những pha này, nhiều thay đổi hình thái xảy ra trong tế bào. Trong số đó có sự ngưng tụ của các nhiễm sắc thể, vỡ màng nhân, tách tế bào khỏi chất nền ngoại bào và các tế bào khác, và sự phân chia tế bào chất.

Trong một số trường hợp, phân chia nhân và phân chia tế bào chất được coi là các giai đoạn riêng biệt (nguyên phân và phân bào tương ứng).

Để nghiên cứu và hiểu rõ hơn về quá trình, sáu (6) giai đoạn đã được chỉ định, gọi là: prophase, prometaphase, metaphase, anaphase và telophase, sau đó cytokinesis được coi là giai đoạn thứ sáu, bắt đầu phát triển trong giai đoạn anaphase.

Telophase là giai đoạn cuối cùng của quá trình nguyên phân. Lấy từ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitosepanel.jpg. Qua Wikimedia Commons

Các pha này đã được nghiên cứu từ thế kỷ 19 qua kính hiển vi ánh sáng, do đó ngày nay chúng có thể dễ dàng nhận ra theo các đặc điểm hình thái mà tế bào thể hiện, như sự ngưng tụ của nhiễm sắc thể, và sự hình thành thoi phân bào.

Prophase

Prophase. Leomonaci98, từ Wikimedia Commons

Prophase là biểu hiện đầu tiên có thể nhìn thấy được của quá trình phân chia tế bào. Trong giai đoạn này, sự xuất hiện của các nhiễm sắc thể có thể được xem như là các dạng phân biệt được, do sự nén chặt dần của chất nhiễm sắc. Sự ngưng tụ của nhiễm sắc thể này bắt đầu bằng sự phosphoryl hóa các phân tử Histone H1 bởi MPF kinase.

Quá trình ngưng tụ bao gồm sự co và do đó sự giảm độ lớn của nhiễm sắc thể. Điều này xảy ra do sự cuộn lại của các sợi nhiễm sắc, tạo ra các cấu trúc dễ dàng dịch chuyển hơn (nhiễm sắc thể phân bào).

Các nhiễm sắc thể đã nhân đôi trước đó trong khoảng thời gian S của chu kỳ tế bào, có dạng sợi kép, được gọi là các nhiễm sắc thể chị em, các sợi này được tổ chức với nhau thông qua một vùng gọi là tâm động. Trong giai đoạn này các nucleoli cũng biến mất.

Sự hình thành trục phân bào

Bởi Silvia3, từ Wikimedia Commons

Trong quá trình prophase, thoi phân bào được hình thành, được tạo thành từ các vi ống và protein tạo nên một tập hợp các sợi.

Khi trục chính hình thành, các vi ống của bộ xương tế bào được tháo rời (bằng cách vô hiệu hóa các protein duy trì cấu trúc của chúng), cung cấp nguyên liệu cần thiết cho sự hình thành thoi phân bào nói trên.

Centrosome (một bào quan không có màng, có chức năng trong chu kỳ tế bào), được nhân đôi ở bề mặt phân cách, hoạt động như một đơn vị lắp ráp của các vi ống hình thoi. Trong tế bào động vật, tâm thể có một cặp tâm thể ở trung tâm; nhưng chúng không có trong hầu hết các tế bào thực vật.

Các trung thể đã nhân đôi bắt đầu tách khỏi nhau trong khi các vi ống hình thoi được lắp ráp thành từng cái, bắt đầu di chuyển về các đầu đối diện của tế bào.

Vào cuối prophase, sự phá vỡ vỏ nhân bắt đầu, xảy ra trong các quá trình riêng biệt: sự tháo rời của lỗ nhân, lớp màng nhân và màng nhân. Sự phá vỡ này cho phép thoi phân bào và các nhiễm sắc thể bắt đầu tương tác.

Prometaphase

Leomonaci98

Ở giai đoạn này, vỏ nhân đã bị phân mảnh hoàn toàn, do đó các vi ống của thoi xâm nhập vào khu vực này, tương tác với các nhiễm sắc thể. Hai trung thể đã tách ra, mỗi nhân nằm ở các cực của thoi phân bào, ở hai đầu đối nhau của tế bào.

Giờ đây, thoi phân bào bao gồm các vi ống (kéo dài từ mỗi tâm thể về phía trung tâm của tế bào), các tâm thể và một cặp ống đệm (cấu trúc có sự phân bố hướng tâm của các vi ống ngắn, mở ra từ mỗi tâm thể).

Mỗi cromatid phát triển một cấu trúc protein chuyên biệt, được gọi là kinetochore, nằm ở tâm động. Các kinetochore này nằm ở các hướng ngược nhau và một số vi ống, được gọi là vi ống kinetochore, dính chặt vào chúng.

Những vi ống này, được gắn vào kinetochore, bắt đầu di chuyển đến nhiễm sắc thể từ phần cuối mà chúng kéo dài ra; một số từ một cực và những người khác từ cực ngược lại. Điều này tạo ra hiệu ứng "kéo và co lại", khi được ổn định, nhiễm sắc thể cuối cùng nằm giữa các đầu của tế bào.

Phép ẩn dụ

Các nhiễm sắc thể sắp xếp trong đĩa xích đạo của tế bào trong quá trình siêu phân bào

Trong metase, trung thể nằm ở các đầu đối diện của tế bào. Trục quay cho thấy một cấu trúc rõ ràng, ở trung tâm là các nhiễm sắc thể. Tâm động của những nhiễm sắc thể này được gắn vào các sợi và thẳng hàng trong một mặt phẳng tưởng tượng được gọi là tấm siêu vi.

Các kinetochores chromatid vẫn được gắn vào các vi ống kinetochore. Các vi ống không bám vào các kinetochores và kéo dài từ các cực đối diện của trục quay giờ tương tác với nhau. Tại thời điểm này, các vi ống từ asters tiếp xúc với màng sinh chất.

Sự tăng trưởng và tương tác này của các vi ống hoàn thiện cấu trúc của thoi phân bào, tạo cho nó một hình dạng "lồng chim".

Về mặt hình thái, giai đoạn này là giai đoạn ít thay đổi nhất, đó là lý do tại sao nó được coi là giai đoạn nghỉ ngơi. Tuy nhiên, mặc dù chúng không dễ dàng nhận thấy, nhiều quá trình quan trọng xảy ra trong đó, ngoài ra nó còn là giai đoạn dài nhất của nguyên phân.

Anaphase

Nguồn: Leomonaci98, từ Wikimedia Commons

Trong quá trình anaphase, từng cặp cromatid bắt đầu tách rời (do sự bất hoạt của các protein giữ chúng lại với nhau). Các nhiễm sắc thể đã tách rời nhau di chuyển đến các đầu đối diện của tế bào.

Sự di chuyển này là do sự ngắn lại của các vi ống của kinetochore, tạo ra hiệu ứng "kéo" làm cho mỗi nhiễm sắc thể di chuyển khỏi tâm động của nó. Tùy thuộc vào vị trí của tâm động trên nhiễm sắc thể, nó có thể có hình dạng cụ thể như V hoặc J.

Các vi ống không dính vào kinetochore, phát triển và dài ra nhờ sự bám dính của tubulin (protein) và do tác động của các protein vận động di chuyển trên chúng, cho phép ngừng tiếp xúc giữa chúng. Khi chúng di chuyển ra xa nhau, các cực của trục quay cũng vậy, kéo dài tế bào.

Vào cuối kỳ này, các nhóm nhiễm sắc thể nằm ở hai đầu đối nhau của thoi phân bào, để lại cho mỗi đầu tế bào một bộ nhiễm sắc thể tương đương và hoàn chỉnh.

Telophase

Telophase. Leomonaci98

Telophase là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân chia hạt nhân. Các vi ống của kinetochore tan rã trong khi các vi ống ở cực lại dài ra.

Màng nhân bắt đầu hình thành xung quanh mỗi bộ nhiễm sắc thể, sử dụng các bao nhân của tế bào nhân sơ, chúng giống như các túi trong tế bào chất.

Trong giai đoạn này, các nhiễm sắc thể nằm ở các cực của tế bào bị giảm phân hoàn toàn do sự khử phosphoryl của các phân tử histone (H1). Sự hình thành các phần tử của màng nhân được chỉ đạo bởi một số cơ chế.

Trong quá trình anaphase, nhiều protein được phosphoryl hóa trong prophase bắt đầu dephosphorylate. Điều này cho phép khi bắt đầu telophase, các túi nhân bắt đầu tập hợp lại, liên kết với bề mặt của nhiễm sắc thể.

Mặt khác, lỗ hạt nhân được lắp ráp lại cho phép bơm các protein hạt nhân. Các protein của lớp màng hạt nhân được dephosphoryl hóa, cho phép chúng liên kết lại, để hoàn thành việc hình thành lớp màng nhân nói trên.

Cuối cùng, sau khi các nhiễm sắc thể bị giảm phân hoàn toàn, quá trình tổng hợp RNA được bắt đầu lại, hình thành các nucleoli một lần nữa và do đó hoàn thành việc hình thành các nhân giữa các pha mới của các tế bào con.

Cytokinesis

Cytokinesis được coi là một sự kiện riêng biệt với sự phân chia nhân, và thường ở các tế bào điển hình, quá trình phân chia tế bào chất đi kèm với mỗi lần nguyên phân, bắt đầu ở giai đoạn anaphase. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng ở một số phôi, nhiều lần phân chia nhân xảy ra trước khi phân chia tế bào chất.

Quá trình này bắt đầu với sự xuất hiện của một rãnh hoặc khe nứt được đánh dấu trên mặt phẳng của đĩa hoán vị, đảm bảo rằng sự phân chia xảy ra giữa các nhóm nhiễm sắc thể. Vị trí của khe hở được chỉ định bởi thoi phân bào, đặc biệt là các vi ống của tế bào thắt lưng.

Trong khe hở được đánh dấu, một loạt vi sợi được tìm thấy tạo thành một vòng hướng về phía tế bào chất của màng tế bào, phần lớn được cấu tạo bởi actin và myosin. Các protein này tương tác với nhau cho phép vòng co lại quanh rãnh.

Sự co lại này được tạo ra bởi sự trượt của các sợi protein này, khi tương tác với nhau, giống như cách chúng xảy ra, ví dụ, trong các mô cơ.

Sự co lại của vòng khuyên sâu hơn, tạo ra hiệu ứng "kẹp" cuối cùng phân chia tế bào tiền thân, cho phép phân tách các tế bào con, với các thành phần tế bào chất đang phát triển của chúng.

Cytokinesis trong tế bào thực vật

Tế bào thực vật có thành tế bào, vì vậy quá trình phân chia tế bào chất của chúng khác với quá trình được mô tả trước đây và bắt đầu trong quá trình telophase.

Sự hình thành thành tế bào mới bắt đầu khi các vi ống của thoi còn sót lại được lắp ráp lại, tạo thành fragmoplast. Cấu trúc hình trụ này được tạo thành từ hai tập hợp các vi ống được kết nối ở hai đầu của chúng, và các cực dương của chúng được nhúng vào một tấm điện tử ở mặt phẳng xích đạo.

Các túi nhỏ từ bộ máy Golgi, chứa đầy tiền chất của thành tế bào, đi xuyên qua các vi ống của fragmoplast đến vùng xích đạo, kết hợp để tạo thành một tấm tế bào. Nội dung của các túi được tiết vào mảng này khi nó lớn lên.

Mảng bám này phát triển, hợp nhất với màng sinh chất dọc theo chu vi tế bào. Điều này xảy ra do sự sắp xếp lại liên tục của các vi ống của fragmoplast ở ngoại vi của đĩa, cho phép nhiều túi dịch chuyển về phía mặt phẳng này và làm rỗng bên trong của chúng.

Bằng cách này, sự phân ly tế bào chất của các tế bào con xảy ra. Cuối cùng, nội dung của tấm tế bào, cùng với các vi sợi xenluloza bên trong nó, cho phép hoàn thành quá trình hình thành thành tế bào mới.

Đặc trưng

Nguyên phân là một cơ chế phân chia trong tế bào, và là một phần của một trong những giai đoạn của chu kỳ tế bào ở sinh vật nhân thực. Một cách đơn giản, chúng ta có thể nói rằng chức năng chính của quá trình này là tái tạo một tế bào trong hai tế bào con.

Đối với sinh vật đơn bào, phân chia tế bào có nghĩa là tạo ra các cá thể mới, trong khi đối với sinh vật đa bào, quá trình này là một phần của sự phát triển và hoạt động chính xác của toàn bộ sinh vật (phân chia tế bào tạo ra sự phát triển của các mô và duy trì cấu trúc).

Quá trình nguyên phân được kích hoạt theo yêu cầu của cơ thể. Ví dụ, ở động vật có vú, các tế bào hồng cầu (hồng cầu) bắt đầu phân chia, tạo thành nhiều tế bào hơn, khi cơ thể cần hấp thu oxy tốt hơn. Tương tự, các tế bào bạch cầu (bạch cầu) sinh sản khi cần thiết để chống lại nhiễm trùng.

Ngược lại, một số tế bào động vật chuyên biệt thực tế không có quá trình nguyên phân hoặc nó diễn ra rất chậm. Ví dụ về điều này là tế bào thần kinh và tế bào cơ).

Nói chung, chúng là những tế bào là một phần của mô liên kết và cấu trúc của cơ thể và sự sinh sản của chúng chỉ cần thiết khi một tế bào bị lỗi hoặc suy giảm và cần được thay thế.

Điều hòa sự phát triển và phân chia tế bào.

Hệ thống kiểm soát sinh trưởng và phân chia tế bào phức tạp hơn nhiều ở các sinh vật đa bào so với các sinh vật đơn bào. Về cơ bản, tái sản xuất bị giới hạn bởi sự sẵn có của các nguồn lực.

Trong tế bào động vật, sự phân chia bị bắt giữ cho đến khi có tín hiệu tích cực để kích hoạt quá trình này. Sự kích hoạt này đến dưới dạng tín hiệu hóa học từ các tế bào lân cận. Điều này cho phép ngăn chặn sự phát triển không giới hạn của các mô và sự sinh sản của các tế bào bị lỗi, có thể gây hại nghiêm trọng đến sự sống của sinh vật.

Một trong những cơ chế kiểm soát sự nhân lên của tế bào là quá trình apoptosis, nơi tế bào chết (do sản xuất một số protein kích hoạt quá trình tự hủy) nếu nó bị tổn thương đáng kể hoặc bị nhiễm virus.

Ngoài ra còn có sự điều chỉnh sự phát triển của tế bào thông qua việc ức chế các yếu tố tăng trưởng (chẳng hạn như protein). Do đó, các tế bào vẫn ở bề mặt phân cách, mà không tiến tới pha M của chu kỳ tế bào.

Các sinh vật thực hiện nó

Quá trình nguyên phân diễn ra ở đại đa số tế bào nhân thực, từ các sinh vật đơn bào như nấm men, sử dụng nó như một quá trình sinh sản vô tính, đến các sinh vật đa bào phức tạp như thực vật và động vật.

Mặc dù nói chung, chu kỳ tế bào là giống nhau đối với tất cả các tế bào nhân thực, có sự khác biệt đáng chú ý giữa các sinh vật đơn bào và đa bào. Trước đây, sự phát triển và phân chia của tế bào là do chọn lọc tự nhiên. Ở các sinh vật đa bào, sự sinh sôi bị hạn chế bởi các cơ chế kiểm soát chặt chẽ.

Ở các sinh vật đơn bào, quá trình sinh sản diễn ra theo cách tăng tốc, vì chu kỳ tế bào hoạt động không ngừng và các tế bào con nhanh chóng bắt đầu nguyên phân để tiếp tục chu kỳ này. Trong khi đó, các tế bào của sinh vật đa bào mất nhiều thời gian hơn để phát triển và phân chia.

Cũng có một số khác biệt giữa quá trình nguyên phân của tế bào thực vật và động vật, như trong một số giai đoạn của quá trình này, tuy nhiên, về nguyên tắc, cơ chế hoạt động theo một cách tương tự ở những sinh vật này.

Sự phân chia tế bào ở tế bào nhân sơ

Tế bào sinh vật nhân nguyên thủy

Tế bào nhân sơ thường phát triển và phân chia với tốc độ nhanh hơn tế bào nhân thực.

Các sinh vật có tế bào nhân sơ (nói chung là đơn bào hoặc trong một số trường hợp là đa bào) thiếu màng nhân để cô lập vật chất di truyền trong nhân, do đó nó được phân tán trong tế bào, trong một vùng gọi là nucleoid. Các tế bào này có một nhiễm sắc thể chính hình tròn.

Sự phân chia tế bào ở những sinh vật này do đó trực tiếp hơn nhiều so với tế bào nhân thực, thiếu cơ chế được mô tả (nguyên phân). Ở chúng, sự sinh sản được thực hiện bởi một quá trình được gọi là phân hạch nhị phân, trong đó sự sao chép DNA bắt đầu tại một vị trí cụ thể trên nhiễm sắc thể tròn (nguồn gốc của sự sao chép hoặc OriC).

Sau đó, hai nguồn gốc được hình thành sẽ di chuyển sang các phía đối diện của tế bào khi quá trình sao chép xảy ra, và tế bào được kéo dài lên gấp đôi kích thước của nó. Khi kết thúc quá trình nhân đôi, màng tế bào phát triển thành tế bào chất, phân chia tế bào nhân sơ thành hai cơ thể con có vật chất di truyền giống nhau.

Tiến hóa của nguyên phân

Sự tiến hóa của các tế bào nhân thực kéo theo sự gia tăng độ phức tạp trong bộ gen. Điều này liên quan đến sự phát triển của các cơ chế phân chia phức tạp hơn.

Nguyên phân có trước quá trình nào?

Có giả thuyết cho rằng sự phân chia của vi khuẩn là cơ chế tiền thân của quá trình nguyên phân. Một mối quan hệ nhất định đã được tìm thấy giữa các protein liên quan đến sự phân hạch nhị phân (có thể là những protein gắn các nhiễm sắc thể vào các vị trí cụ thể trên màng sinh chất của con gái) với tubulin và actin trong tế bào nhân thực.

Một số nghiên cứu chỉ ra một số đặc thù nhất định trong sự phân chia của các sinh vật đơn bào hiện đại. Ở chúng màng nhân vẫn còn nguyên trong quá trình nguyên phân. Các nhiễm sắc thể được sao chép vẫn cố định ở một số vị trí nhất định trên màng này, phân tách khi nhân bắt đầu căng ra trong quá trình phân bào.

Điều này cho thấy một số điểm trùng hợp với quá trình phân hạch nhị phân, nơi các nhiễm sắc thể đã sao chép gắn vào những vị trí nhất định trên màng tế bào. Sau đó, giả thuyết cho rằng các nguyên sinh vật có phẩm chất này trong quá trình phân chia tế bào của chúng có thể đã duy trì đặc tính này của tế bào nhân sơ tổ tiên.

Hiện tại, người ta vẫn chưa giải thích được tại sao ở tế bào nhân thực của sinh vật đa bào lại cần màng nhân phân huỷ trong quá trình phân bào.

Người giới thiệu

1. Albarracín, A., & Telulón, AA (1993). Thuyết Tế bào vào thế kỷ 19. Phiên bản AKAL.
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberth, K., & Walter, P. (2008). Sinh học phân tử của tế bào. Garland Science, Taylor và Francis Group.
3. Campbell, N., & Reece, J. (2005). Sinh học 7 ^lần xuất bản, AP.
4. Griffiths, AJ, Lewontin, RC, Miller, JH và Suzuki, DT (1992). Giới thiệu về phân tích di truyền. McGraw-Hill Interamericana.
5. Karp, G. (2009). Sinh học tế bào và phân tử: khái niệm và thí nghiệm. John Wiley và các con trai.
6. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Sinh học tế bào phân tử. Macmillan.
7. Segura-Valdez, MDL, Cruz-Gómez, SDJ, López-Cruz, R., Zavala, G., & Jiménez-García, LF (2008). Hình ảnh nguyên phân bằng kính hiển vi lực nguyên tử. TIỀN BOA. Tạp chí chuyên ngành khoa học hóa - sinh, 11 (2), 87-90.