Nguyên phân (Mitosis)

Mục đích của nguyên phân

Nguyên phân đảm nhiệm nhiều chức năng quan trọng cho sự sống, bao gồm:

• Sinh trưởng: Nguyên phân cho phép cơ thể tăng số lượng tế bào, từ đó tăng kích thước và khối lượng. Sự tăng sinh tế bào nhờ nguyên phân là cơ sở cho sự phát triển của cơ thể đa bào từ một hợp tử duy nhất.
• Sửa chữa và tái tạo: Khi tế bào bị tổn thương hoặc chết đi, nguyên phân giúp thay thế chúng bằng các tế bào mới. Quá trình này rất quan trọng để duy trì tính toàn vẹn của mô và cơ quan trong cơ thể. Ví dụ, da liên tục được tái tạo nhờ nguyên phân để thay thế các tế bào chết.
• Sinh sản vô tính: Ở một số sinh vật, nguyên phân là phương thức sinh sản chính, tạo ra các cá thể mới giống hệt cá thể mẹ. Một số ví dụ bao gồm sự phân đôi ở vi khuẩn, sự nảy chồi ở nấm men và sinh sản sinh dưỡng ở thực vật.

Các giai đoạn của nguyên phân

Nguyên phân được chia thành các giai đoạn sau, diễn ra liên tục và được điều hòa chặt chẽ:

• Kỳ trung gian (Interphase): Đây không phải là một giai đoạn của nguyên phân, nhưng là giai đoạn chuẩn bị quan trọng cho quá trình phân bào. Trong kỳ trung gian, tế bào tích lũy năng lượng, tổng hợp các protein và sao chép DNA. Kỳ trung gian gồm ba pha nhỏ:
  • Pha G1 (Gap 1): Tế bào tăng trưởng về kích thước, tổng hợp protein và các bào quan.
  • Pha S (Synthesis): DNA được nhân đôi, tạo thành hai bản sao giống hệt nhau, mỗi bản sao được gọi là nhiễm sắc tử chị em (sister chromatids) được nối với nhau tại tâm động.
  • Pha G2 (Gap 2): Tế bào tiếp tục tăng trưởng và tổng hợp protein cần thiết cho nguyên phân, đồng thời kiểm tra DNA trước khi bước vào phân bào.
• Kỳ đầu (Prophase):
  • Nhiễm sắc thể bắt đầu co xoắn và trở nên nhìn thấy rõ dưới kính hiển vi.
  • Màng nhân và nhân con biến mất.
  • Thoi phân bào bắt đầu hình thành từ trung thể.
• Kỳ giữa (Metaphase):
  • Nhiễm sắc thể di chuyển về mặt phẳng xích đạo của tế bào.
  • Các sợi thoi phân bào bám vào tâm động của mỗi nhiễm sắc thể.
• Kỳ sau (Anaphase):
  • Các nhiễm sắc tử chị em tách nhau tại tâm động và di chuyển về hai cực của tế bào nhờ sự co rút của thoi phân bào. Lúc này, mỗi nhiễm sắc tử được coi là một nhiễm sắc thể riêng biệt.
• Kỳ cuối (Telophase):
  • Nhiễm sắc thể giãn xoắn.
  • Màng nhân và nhân con tái xuất hiện ở mỗi cực của tế bào.
  • Thoi phân bào biến mất.
• Phân chia tế bào chất (Cytokinesis):
  • Tế bào chất phân chia, tạo thành hai tế bào con riêng biệt. Ở tế bào động vật, sự phân chia tế bào chất diễn ra bằng cách hình thành eo thắt. Ở tế bào thực vật, sự phân chia tế bào chất diễn ra bằng cách hình thành vách tế bào.

Kết quả của nguyên phân

Từ một tế bào mẹ (2n) tạo ra hai tế bào con (2n) giống hệt nhau về mặt di truyền và giống tế bào mẹ. Số lượng nhiễm sắc thể được giữ nguyên.

So sánh nguyên phân và giảm phân

Sự khác biệt giữa nguyên phân và giảm phân được tóm tắt trong bảng sau:

Lưu ý: $n$ là số bộ nhiễm sắc thể đơn bội, $2n$ là số bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội.

Điều hòa chu kỳ tế bào

Chu kỳ tế bào, bao gồm cả nguyên phân, được điều hòa chặt chẽ bởi một hệ thống phức tạp các protein. Sự điều hòa này đảm bảo rằng tế bào phân chia đúng thời điểm và đúng cách. Nếu quá trình điều hòa bị lỗi, có thể dẫn đến sự phân chia tế bào không kiểm soát, gây ra ung thư. Một số điểm kiểm soát quan trọng trong chu kỳ tế bào bao gồm:

• Điểm kiểm soát G1: Kiểm tra xem tế bào có đủ kích thước và nguồn dinh dưỡng để bước vào giai đoạn S hay không. Nếu không đủ điều kiện, tế bào sẽ tạm dừng ở pha G0.
• Điểm kiểm soát G2: Kiểm tra xem DNA đã được nhân đôi hoàn toàn và không có sai sót nào trước khi bước vào nguyên phân.
• Điểm kiểm soát M (Metaphase checkpoint): Kiểm tra xem tất cả các nhiễm sắc thể đã được gắn vào thoi phân bào một cách chính xác trước khi bước vào kỳ sau.

Nguyên phân ở các sinh vật khác nhau

Mặc dù nguyên tắc cơ bản của nguyên phân là giống nhau ở tất cả các sinh vật nhân thực, nhưng có một số khác biệt nhỏ giữa các loài. Ví dụ, ở động vật, thoi phân bào được hình thành từ các trung thể, trong khi ở thực vật bậc cao, không có trung thể. Thoi phân bào ở thực vật được hình thành từ vùng tế bào chất đặc biệt gọi là trung tâm tổ chức vi ống.

Ý nghĩa của nguyên phân trong y học và nghiên cứu

Nguyên phân có vai trò quan trọng trong y học và nghiên cứu sinh học. Hiểu biết về nguyên phân giúp:

• Nghiên cứu ung thư: Nghiên cứu sự rối loạn điều hòa chu kỳ tế bào và nguyên phân giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phát triển ung thư và tìm kiếm các phương pháp điều trị hiệu quả.
• Nuôi cấy tế bào: Nguyên phân được sử dụng để nuôi cấy tế bào trong phòng thí nghiệm, phục vụ cho nghiên cứu và ứng dụng trong y học, công nghệ sinh học.
• Ghép mô và cơ quan: Nguyên phân đóng vai trò quan trọng trong quá trình tái tạo mô và cơ quan sau khi ghép.

Ứng dụng của nguyên phân trong nông nghiệp và công nghệ sinh học

• Nhân giống cây trồng: Nguyên phân được sử dụng trong các kỹ thuật nhân giống vô tính như giâm cành, chiết cành, nuôi cấy mô để tạo ra các cây trồng giống hệt cây mẹ.
• Sản xuất sinh khối: Nguyên phân được sử dụng để sản xuất sinh khối trong công nghệ sinh học, ví dụ như sản xuất nấm men, tảo.

• Campbell Biology (Lisa A. Urry et al.)
• Biology (Raven, Johnson, Mason, Losos, and Singer)
• Molecular Biology of the Cell (Bruce Alberts et al.)
• Essential Cell Biology (Bruce Alberts et al.)

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao điểm kiểm soát trong chu kỳ tế bào lại quan trọng?

Trả lời: Điểm kiểm soát trong chu kỳ tế bào, như điểm kiểm soát G1, G2 và M, rất quan trọng vì chúng đảm bảo mỗi giai đoạn của chu kỳ tế bào, bao gồm cả nguyên phân, diễn ra chính xác và hoàn chỉnh trước khi chuyển sang giai đoạn tiếp theo. Điều này ngăn chặn sự tích lũy các lỗi, chẳng hạn như sao chép DNA không chính xác hoặc phân chia nhiễm sắc thể không đều, có thể dẫn đến đột biến, bất ổn định di truyền và ung thư.

Sự khác biệt chính giữa phân chia tế bào chất ở tế bào thực vật và tế bào động vật là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở cách tế bào chất phân chia. Tế bào động vật sử dụng một “eo thắt” co lại ở giữa tế bào, dần dần tách tế bào thành hai. Tế bào thực vật, do có thành tế bào cứng, không thể hình thành eo thắt. Thay vào đó, chúng xây dựng một “vách tế bào” mới ở giữa tế bào, chia tế bào mẹ thành hai tế bào con.

Nếu một tế bào có 2n = 46 nhiễm sắc thể trải qua nguyên phân, mỗi tế bào con sẽ có bao nhiêu nhiễm sắc thể?

Trả lời: Mỗi tế bào con sẽ có cùng số lượng nhiễm sắc thể như tế bào mẹ, tức là 2n = 46 nhiễm sắc thể. Nguyên phân tạo ra hai tế bào con giống hệt nhau về mặt di truyền.

Điều gì xảy ra với thoi phân bào trong kỳ cuối của nguyên phân?

Trả lời: Trong kỳ cuối, thoi phân bào tan rã. Nó đã hoàn thành nhiệm vụ tách các nhiễm sắc tử chị em về hai cực của tế bào và không còn cần thiết nữa.

Làm thế nào mà các lỗi trong nguyên phân có thể góp phần vào sự phát triển của ung thư?

Trả lời: Các lỗi trong nguyên phân, chẳng hạn như sự phân chia nhiễm sắc thể không chính xác hoặc sự thất bại của các điểm kiểm soát, có thể dẫn đến sự bất ổn định di truyền. Điều này có thể kích hoạt sự tăng trưởng tế bào không kiểm soát, một đặc điểm chính của ung thư. Sự tích lũy các đột biến do lỗi nguyên phân có thể khiến tế bào bỏ qua các tín hiệu điều hòa bình thường và phân chia một cách không kiểm soát, hình thành khối u.