Hücre Bölünmeleri ve Üreme

Hücreler neden bölünür?

Bir insan tek bir hücreden, döllenmiş yumurtadan (zigottan) gelişir. Yetişkin bir insanın vücudundaki trilyonlarca hücrenin hemen hepsi bu tek hücrenin art arda bölünmesiyle oluşmuştur. Hücre bölünmesi yalnızca büyümeyi sağlamaz: deri yenilenir, kırık kemik kaynar, kopan bir kuyruk ya da kesilen bir söğüt dalı yeniden oluşur. Bir hücreli canlılar için ise bölünme doğrudan üreme demektir.

Hücreyi bölünmeye zorlayan bir neden de büyüklüğüdür. Hücre büyüdükçe hacmi, yüzey alanından daha hızlı artar. Madde alışverişi zar yüzeyinden yapıldığı için büyüyen bir hücrede birim hacme düşen yüzey azalır ve hücre ihtiyacını karşılayamaz hâle gelir. Çekirdeğin denetleyebileceği sitoplazma miktarı da sınırlıdır. Bölünme, yüzey alanının hacme oranını yeniden artırır.

Ökaryot hücrelerde iki tür bölünme vardır: kromozom sayısını koruyan mitoz ve kromozom sayısını yarıya indiren mayoz. Bakteriler gibi prokaryotlarda çekirdek ve iğ iplikleri bulunmadığından mitoz görülmez; bu canlılar DNA'larını eşledikten sonra ikiye bölünerek çoğalır.

Kromozom, kromatit ve kromozom sayısı

Ökaryot hücrede DNA, proteinlerle birlikte çekirdekte ince iplikler hâlinde bulunur; buna kromatin denir. Bölünme başlarken kromatin kısalıp kalınlaşır ve ışık mikroskobunda görülebilen kromozomlara dönüşür. DNA'nın eşlenmesinden önce her kromozom tek bir DNA molekülünden oluşur. S evresinde DNA eşlenince kromozom, sentromer bölgesinden birbirine bağlı iki özdeş kopya taşır. Bu kopyaların her birine kardeş kromatit denir.

Sayım yaparken şu kurallara uyulur:

• Kromozom sayısı sentromer sayısına eşittir. İki kromatitli bir kromozom yine tek kromozom sayılır.
• Eşlenmemiş bir kromozom tek kromatitlidir. S evresinden anafaza kadar her kromozom iki kromatitlidir; bu sürede kromatit sayısı kromozom sayısının iki katıdır.
• Anafazda sentromerler ayrılınca her kardeş kromatit artık ayrı bir kromozom sayılır. Bu yüzden mitozun anafazında hücredeki kromozom sayısı geçici olarak iki katına çıkar, kromatit sayısı ise değişmez.

Vücut hücrelerinde kromozomlar, biri anneden biri babadan gelen çiftler hâlindedir. Aynı genleri aynı sırayla taşıyan bu eşlere homolog kromozom denir. Homolog çiftler taşıyan hücreler diploittir ve kromozom sayıları 2n ile gösterilir. Her çiftten yalnızca birini taşıyan hücreler haploittir (n). İnsanın vücut hücrelerinde 2n = 46, üreme hücrelerinde n = 23 kromozom bulunur. Kromozom sayısı türe özgüdür ama canlının gelişmişliğini göstermez: sirke sineğinde 2n = 8, bezelyede 14, insanda 46, şempanzede ve patateste 48, köpekte 78 kromozom vardır.

Hücre döngüsü ve interfaz

Bir hücrenin oluşumundan bölünüp iki yeni hücre vermesine kadar geçen olaylar dizisine hücre döngüsü denir. Döngü, bölünmeye hazırlık olan interfaz ile bölünmenin gerçekleştiği mitotik evreden oluşur. Hücre ömrünün büyük bölümünü interfazda geçirir.

• G1 evresi: Hücre büyür; protein, enzim ve organel sentezi hızlanır. Hücrenin bölünüp bölünmeyeceği büyük ölçüde bu evrenin sonunda belirlenir. Olgun sinir hücreleri ve çizgili kas hücreleri gibi genellikle bölünmeyen hücreler G1'den döngünün dışına çıkar ve uzun süre bölünmeden kalır; bu duruma G0 denir.
• S evresi: DNA eşlenir; her kromozom iki kardeş kromatitli hâle gelir. Kromozom sayısı değişmez ama DNA miktarı iki katına çıkar.
• G2 evresi: İğ ipliklerinin yapı taşları gibi bölünme için gereken proteinler sentezlenir. Hayvan hücrelerinde eşlenmiş sentrioller bölünmeye hazırdır.

Döngünün belirli noktalarında hücre "devam edebilir miyim?" sorusunun cevabını denetler. Bu kontrol noktalarında hücrenin yeterince büyüyüp büyümediği, DNA'da hasar olup olmadığı, DNA eşlenmesinin tamamlanıp tamamlanmadığı ve metafazda bütün kromozomların iğ ipliklerine doğru bağlanıp bağlanmadığı denetlenir. Sorun varsa döngü durur; onarılamayan hücre çoğu zaman programlı hücre ölümüyle ortadan kalkar.

Mitoz bölünmenin evreleri

Mitotik evre iki olaydan oluşur: çekirdeğin bölünmesi (karyokinez) ve sitoplazmanın bölünmesi (sitokinez). Karyokinez dört evrede incelenir. Evreler kesintisiz birbirine geçer; adlandırma anlatımı kolaylaştırmak içindir.

• Profaz: Kromatin kısalıp kalınlaşır, iki kromatitli kromozomlar belirginleşir. Çekirdek zarı ve çekirdekçik kaybolur. Hayvan hücrelerinde sentrioller zıt kutuplara gider ve aralarında iğ iplikleri oluşur. Sentriol bulunmayan bitki hücrelerinde de iğ iplikleri oluşur.
• Metafaz: Kromozomlar sentromerlerinden iğ ipliklerine tutunarak hücrenin ortasındaki ekvatoral düzlemde tek sıra hâlinde dizilir. Kromozomlar en kısa ve en kalın hâlindedir; kromozom sayımı ve kromozomların incelenmesi (karyotip) bu evrede yapılır.
• Anafaz: Sentromerler ayrılır, kardeş kromatitler iğ iplikleriyle zıt kutuplara çekilir. Her kutba aynı sayıda ve aynı genetik bilgiyi taşıyan kromozom gider.
• Telofaz: Kutuplara ulaşan kromozomlar incelip uzayarak yeniden kromatine dönüşür. Her kutupta çekirdek zarı ve çekirdekçik yeniden oluşur, iğ iplikleri kaybolur.

İğ ipliklerinin oluşumunu engelleyen kolşisin gibi maddeler uygulanan hücrelerde kromozomlar kutuplara çekilemez ve bölünme metafazda durur. Karyotip çalışmalarında bu yöntemle metafazdaki hücreler biriktirilir.

Sitokinez

Telofazla birlikte ya da hemen ardından sitoplazma bölünür ve iki yavru hücre birbirinden ayrılır. Sitokinez hayvan ve bitki hücrelerinde farklı gerçekleşir.

• Hayvan hücrelerinde hücre zarının altındaki protein iplikler (aktin ve miyozin) bir halka oluşturur. Halka daraldıkça hücre zarı dıştan içe doğru boğumlanır ve hücre ikiye ayrılır.
• Bitki hücrelerinde sert hücre çeperi boğumlanmaya izin vermez. Golgi cisminden gelen kesecikler hücrenin ortasında birleşerek ara lameli (hücre plağı) oluşturur. Ara lamel ortadan kenarlara doğru büyür; iki yanına selüloz birikerek yeni çeperler oluşur.

Karyokinezden sonra sitokinez olmazsa çok çekirdekli bir hücre oluşur. Bu yüzden "çekirdek bölündü" demek her zaman "hücre bölündü" anlamına gelmez.

Mitozun önemi, döngünün denetimi ve kanser

Mitozla oluşan iki hücre, ana hücreyle aynı sayıda ve aynı genetik bilgiyi taşıyan kromozomlara sahiptir (DNA eşlenmesinde hata olmadığı sürece). Mitoz canlılarda üç temel işe yarar:

• Büyüme ve gelişme: Zigottan başlayarak çok hücreli bir canlının bütün vücut hücreleri mitozla oluşur.
• Onarım ve yenilenme: Yara iyileşmesi, deri ve bağırsak yüzeyinin yenilenmesi, kemik kırıklarının kaynaması mitozla olur.
• Eşeysiz üreme: Bir hücreli ökaryotlarda (amip, öglena, paramesyum) mitoz yeni birey oluşturmak demektir; çok hücrelilerde eşeysiz üremenin temelinde de mitoz vardır.

Mitoz yalnızca diploit hücrelere özgü değildir. Haploit hücreler de mitozla bölünebilir; bal arısının haploit erkekleri vücut hücrelerini ve spermlerini mitozla oluşturur. Mayoz ise homolog çiftlerin ayrılmasına dayandığı için haploit hücrelerde görülmez.

Hücre döngüsünü yöneten genlerde mutasyon olursa kontrol noktaları işlevini yitirebilir ve hücreler gerekmediği hâlde sürekli bölünür. Kanser, hücrelerin kontrolsüz bölünmesiyle ortaya çıkan hastalıkların genel adıdır. Kontrolsüz bölünen hücreler tümör denen kitleleri oluşturur. Kötü huylu tümörlerin hücreleri çevre dokulara yayılabilir, kan ya da lenf yoluyla başka organlara taşınarak yeni tümörler oluşturabilir (metastaz). Sigara dumanı, morötesi (UV) ışınlar, bazı kimyasal maddeler, iyonlaştırıcı ışınlar ve bazı virüsler kanser riskini artırır. Kemoterapi ve radyoterapi hızlı bölünen hücreleri hedef aldığından, saç kökü ve bağırsak yüzeyi gibi normalde de hızlı bölünen dokular bu tedaviden etkilenir.

Eşeysiz üreme

Tek bir atadan, üreme hücreleri birleşmeden yeni birey oluşmasına eşeysiz üreme denir. Eşeysiz üremede yeni bireyler mitozla (bakterilerde ikiye bölünmeyle) oluştuğundan genellikle atasıyla genetik olarak aynıdır. Üreme hızlıdır ve eş aramak gerekmez; ancak kalıtsal çeşitlilik çok azdır. Çevre koşulları değiştiğinde bütün bireyler aynı derecede etkilenebilir.

• Bölünerek üreme: Bir hücreli canlı ikiye bölünerek iki yeni birey oluşturur. Bakteriler, amip, öglena ve paramesyum bu yolla çoğalır.
• Tomurcuklanma: Ana canlının üzerinde oluşan bir çıkıntı (tomurcuk) büyür ve ayrılarak ya da ana canlıya bağlı kalarak yeni bir birey olur. Bira mayası ve hidra örnektir.
• Sporla üreme: Dayanıklı bir örtüyle korunan özel hücreler (sporlar) uygun ortama düşünce yeni birey oluşturur. Ekmek küfü gibi birçok mantarın eşeysiz sporları mitozla oluşur.
• Rejenerasyon: Canlıdan ayrılan bir parçanın eksik kısımlarını tamamlayarak yeni bir birey oluşturmasıdır. Planarya parçalara ayrıldığında her parçadan yeni bir planarya gelişebilir; denizyıldızının merkez diskin bir bölümünü taşıyan kolu da yeni bir denizyıldızı oluşturabilir. Kertenkelenin kopan kuyruğunu yenilemesi ise yeni birey oluşturmadığı için üreme değil, onarımdır.
• Vejetatif üreme: Bitkilerin kök, gövde ya da yaprak gibi üreme organı olmayan kısımlarından yeni bitki oluşmasıdır. Çilek toprak üstünde sürünen gövdeleriyle (stolon), patates yumru gövdesiyle, soğan ve lale soğanlarıyla çoğalır. Söğüt, gül ve asmanın çelikle, meyve ağaçlarının aşıyla çoğaltılması da vejetatif üremedir. Bu yolla verimli bir bitkinin özellikleri aynen korunur.
• Partenogenez: Döllenmemiş yumurtadan yeni birey gelişmesidir. Bal arısında erkek arılar döllenmemiş yumurtalardan gelişir ve haploittir; dişi arılar (ana arı ve işçiler) döllenmiş yumurtalardan gelişir ve diploittir. Yaprak bitleri ve su pireleri de uygun mevsimlerde partenogenezle çoğalır.

Mayoz bölünme

Eşeyli üreyen canlılarda üreme hücrelerinin kromozom sayısı yarıya inmeseydi, her döllenmede kromozom sayısı iki katına çıkardı. Mayoz, diploit (2n) üreme ana hücrelerinden haploit (n) hücreler oluşturan bölünmedir. Hayvanlarda eşey organlarında gametler mayozla oluşur; bitkilerde mayozla sporlar oluşur. Mayozdan önceki interfazda DNA bir kez eşlenir, ardından art arda iki bölünme olur: mayoz I ve mayoz II. Sonuçta bir hücreden dört haploit hücre oluşur.

Mayoz I (homologların ayrıldığı bölünme):

• Profaz I: Kromozomlar belirginleşir; homolog kromozomlar boylu boyunca yan yana gelip eşleşir. Bu eşleşmeye sinaps denir. Eşleşen iki homolog dört kromatitli bir yapı oluşturur: tetrat. Hücredeki tetrat sayısı homolog çift sayısına, yani n'ye eşittir. Tetratta homologların kardeş olmayan kromatitleri arasında parça değişimi (krossing over) olabilir. Çekirdek zarı ve çekirdekçik kaybolur, iğ iplikleri oluşur. Mayozun en uzun evresi profaz I'dir.
• Metafaz I: Tetratlar ekvatoral düzlemde dizilir. Her homolog çiftin bir üyesi bir kutba, diğeri öbür kutba bakar. Hangi homoloğun hangi kutba bakacağı her çiftte rastgeledir.
• Anafaz I: Homolog kromozomlar birbirinden ayrılarak zıt kutuplara çekilir. Sentromerler bölünmez; kutuplara giden her kromozom hâlâ iki kromatitlidir.
• Telofaz I ve sitokinez: Her kutupta n tane iki kromatitli kromozom bulunur; sitokinezle iki haploit hücre oluşur. Kromozom sayısı yarıya inmiştir.

Mayoz II (kardeş kromatitlerin ayrıldığı bölünme): Mayoz I ile mayoz II arasında DNA eşlenmesi olmaz. Profaz II, metafaz II, anafaz II ve telofaz II mitozun evrelerine benzer: metafaz II'de iki kromatitli kromozomlar ekvatorda tek sıra hâlinde dizilir, anafaz II'de sentromerler ayrılır ve kardeş kromatitler zıt kutuplara gider. Mayoz II'nin sonunda her biri n tane tek kromatitli kromozom taşıyan dört hücre oluşur. Hayvanlarda erkekte bu dört hücrenin dördü de sperme dönüşür; dişide sitoplazma eşit bölünmediği için genellikle yalnızca biri yumurta olur.

Krossing over ve kalıtsal çeşitlilik

Krossing over, profaz I'de tetrat içindeki homolog kromozomların kardeş olmayan kromatitleri arasında karşılıklı parça değişimidir. Kardeş kromatitler zaten özdeş olduğu için aralarında parça değişimi yeni bir birleşim oluşturmazdı. Krossing over sonunda tetrattaki dört kromatitten ikisi eski birleşimini korur, ikisi yeni gen birleşimleri taşır. Kromozom sayısı ve hücredeki toplam DNA miktarı değişmez.

Mayozla oluşan hücrelerin birbirinden ve ana hücreden farklı olmasının iki kaynağı vardır:

1. Homologların bağımsız dağılımı: Metafaz I'de her homolog çiftin dizilişi diğerlerinden bağımsızdır. Homolog çift sayısı n ise krossing over olmadan bir bireyin oluşturabileceği farklı kromozom birleşimli gamet sayısı \(2^{n}\)'dir. İnsanda bu sayı \(2^{23}\), yani 8 milyondan fazladır.
2. Krossing over: Aynı kromozom üzerinde yeni alel birleşimleri oluşturur ve çeşitliliği \(2^{n}\)'nin de üstüne çıkarır.

Bu hesapta bir noktaya dikkat et: \(2^{n}\), bir bireyin bütün mayozlarında oluşabilecek gamet çeşidini verir. Tek bir üreme ana hücresinin mayozunda ise dört hücre oluşur. Krossing over olmazsa bu dört hücre ikişer ikişer aynıdır, yani yalnızca 2 çeşit hücre oluşur. Bir homolog çiftte bir krossing over olursa dört hücrenin dördü de farklı olur. Gen düzeyinde aynı hesap kalıtım konusunda heterozigot gen çiftleriyle yapılır.

Eşeyli üreme ve döllenme

İki ayrı eşey hücresinin (gametin) birleşmesiyle yeni birey oluşmasına eşeyli üreme denir. Haploit sperm ile haploit yumurtanın çekirdeklerinin birleşmesine döllenme, oluşan diploit hücreye zigot denir. Zigot mitozla bölünerek embriyoyu, embriyo da gelişerek ergin bireyi oluşturur. Su ortamında yaşayan çoğu balık ve kurbağa gametlerini suya bırakır ve döllenme vücut dışında olur (dış döllenme). Karada yaşayan sürüngen, kuş ve memelilerde döllenme dişinin vücudu içinde gerçekleşir (iç döllenme).

Mayoz ve döllenme birlikte, eşeyli üreyen canlılarda kromozom sayısının kuşaklar boyunca sabit kalmasını sağlar. Eşeyli üremenin asıl üstünlüğü kalıtsal çeşitliliktir: krossing over, homologların bağımsız dağılımı ve gametlerin rastgele birleşmesi sayesinde aynı anne babanın çocukları bile birbirinden farklıdır (tek yumurta ikizleri hariç). Çeşitli bir popülasyonda değişen çevre koşullarına uyum sağlayabilecek bireylerin bulunma olasılığı artar. Buna karşılık eşeyli üreme daha yavaştır ve daha fazla enerji ister.

Mitoz ile mayozun karşılaştırılması

İki bölünmenin ortak yanları da vardır: ikisinde de bölünme öncesinde DNA eşlenir, kromozomlar kısalıp kalınlaşır, çekirdek zarı kaybolur, iğ iplikleri oluşur, kardeş kromatitler bir aşamada birbirinden ayrılır ve sitokinez gerçekleşir.

Kromozom sayısı ve DNA miktarı grafikleri

Sorularda bir hücredeki değişimler çoğunlukla grafikle verilir. Grafiği okumanın anahtarı, iki niceliğin farklı zamanlarda değiştiğini bilmektir. Hücre başına DNA miktarı yalnızca S evresinde artar ve her sitokinezde yarıya iner. Kromozom sayısı S evresinde değişmez; kardeş kromatitler ayrıldığında (mitozun anafazı, anafaz II) geçici olarak iki katına çıkar ve sitokinezle yarıya iner.

Burada x, bir gametteki DNA miktarıdır. 2n = 4 kromozomlu bir hayvan hücresi için bütün değerler şu tabloda toplanmıştır (her satır tek bir hücreyi gösterir; telofaz değerleri sitokinezden öncesi içindir).

İnsanda aynı mantıkla: mitozun metafazındaki hücrede 46 kromozom ve 92 kromatit, anafazda 92 kromozom bulunur. Profaz I'de 23 tetrat ve 92 kromatit, metafaz II'de 23 kromozom ve 46 kromatit, anafaz II'de 46 tek kromatitli kromozom vardır.