Hücre Neden Bölünür?

Hücreler büyüdükçe çeşitli sorunlarla karşılaşırlar. Bir hücrenin hacmi kenar uzunluğunun küpü $a^3$ şeklinde artarken, yüzeyi kenar uzunluğunun karesi $a^2$ oranında artar. Bu nedenle hacim-yüzey oranı giderek büyür ve hücre zarı sitoplazmaya yeterli hizmet veremez hale gelir.

Ayrıca büyüyen hücrede, çekirdek de hücreyi yönetmekte zorlanır. Böylece hücre belli bir büyüklüğe ulaştığında çekirdek bölünme emrini verir. Hormonlar da bölünme sürecinde etkilidir. Örneğin insanlardaki büyüme hormonu vücut hücrelerinin bölünmesini düzenlerken, eşey hormonları üreme hücrelerinin oluşumunu tetikler.

Önemli Not: Hücre bölünmesinin ana nedeni, hücre içindeki sitoplazma, hücre zarı ve çekirdek arasındaki koordinasyonun sağlanması ihtiyacıdır.

Hücre bölünmesinde bazı temel kavramları bilmek gerekir. Gen, karakterlerin oluşumunda etkili olan DNA parçasıdır. Genom ise hücrenin tüm genetik bilgisini içerir. DNA molekülleri, hücre bölünme aşamasında değilken proteinlerle birleşerek kromatin iplik yapılarını oluşturur. Bu ipliklerin yumak şeklindeki haline kromatin denir.

Hücre bölünmeye başlamadan önce DNA kendini eşler ve kromatin iplikler yoğunlaşarak kromozomlara dönüşür. Her kromozom, DNA eşlenmesi sonucu oluşan iki parçadan oluşur ve bu parçaların her birine kromatit denir. Bu kromatitler birbirinin aynısı olduğu için kardeş kromatitler olarak adlandırılır. Kardeş kromatitleri bir arada tutan kısma sentromer denir.

Mitozla İlgili Kavramlar ve İnterfaz

Sentromerler üzerinde bulunan protein yapılı kinetokor bölgeleri, hücre bölünmesi sırasında iğ ipliklerinin tutunduğu yerlerdir. Çoğu hücrede kromozomlar çiftler halinde bulunur. Aynı karakterleri kontrol eden genleri taşıyan, büyüklükleri ve sentromer konumları aynı olan bu kromozom çiftlerine homolog kromozomlar denir.

Kromozomları çiftler halinde (iki takım) bulunduran hücreler diploid (2n) olarak adlandırılırken, tek takım kromozom bulunduran hücrelere haploid (n) hücreler denir. Kromozom sayısının çok veya az olması, canlının gelişmişliği ile ilişkili değildir. Gelişmişliği belirleyen, kromozomlar üzerindeki genlerin niteliğidir.

Bir bölünme tamamlandıktan sonra oluşan hücrelerin yeni bir bölünmeye başlayana kadar geçirdiği sürece interfaz denir. İnterfaz; G₁, S ve G₂ olmak üzere üç aşamada gerçekleşir:

• G₁ evresinde: Hücre büyür, madde alışverişi yapar, organel yapımı devam eder ve RNA sentezi gerçekleşir.
• S evresinde: DNA kendini eşler, her gen kopyalanır ve DNA miktarı iki katına çıkar.
• G₂ evresinde: Protein, enzim ve RNA sentezi devam eder, sitoplazmik organel sayısı artar.

Dikkat! Embriyonik hücreler hızlı bölünür ve interfaz evresi kısadır. Bu hücreler tam büyümeden DNA replikasyonu gerçekleşir ve G₁ evresi görülmeden S evresine geçilir.

Mitoz Bölünme

Bazı hücreler belirli zamanlarda bölünürken, sinir hücreleri ve göz retina hücreleri gibi özelleşmiş hücreler farklılaşmalarını tamamladıktan sonra hiç bölünmez. Bu hücreler G₀ evresine girer. İnsan vücudundaki hücrelerin çoğu bu evrededir.

Mitoz bölünme, tek hücrelilerde üremeyi, çok hücrelilerde büyümeyi, gelişmeyi ve onarımı sağlar. Mitozun ana amacı kalıtım maddesinin yavru hücrelere aynen ve eşit şekilde aktarılmasıdır. Çekirdek bölünmesi (karyokinez) dört evrede gerçekleşir:

Profaz: En uzun evredir. Eşlenmiş kromatin iplikler kromozomlar halinde görünür hale gelir. Her kromozom iki kromatitlidir. Sentrozomu oluşturan sentriyoller kutuplara doğru hareket eder ve aralarında iğ iplikleri oluşur. Çekirdek zarı ve çekirdekçik kaybolur.

Metafaz: Kromozomlar, kinetokorlarına bağlanan iğ iplikleri sayesinde hücrenin ekvatoral düzlemine (metafaz plağı) dizilir. Bu dizilime karyotip denir. Metafaz evresinde kromozomların karyotipleri çıkarılarak kalıtsal hastalıklar teşhis edilebilir.

Anafaz: Kardeş kromatitleri bir arada tutan sentromer proteinleri enzimlerle parçalanır. İğ iplikleri sayesinde kardeş kromatitler birbirinden ayrılarak zıt kutuplara hareket eder. Ayrıldıktan sonra her kromatit artık bir kromozomdur ve kromozom sayısı geçici olarak iki katına çıkar.

Önemli Not: Anafaz evresindeki ayrılma, kromozom sayısı ve yapısı aynı olan hücrelerin oluşmasını sağlar!

Telofaz ve Sitokinez

Telofaz: Hücrenin zıt kutuplarına ulaşan kromozomların etrafında çekirdek zarları ve endoplazmik retikulum yeniden oluşur. Çekirdekçik tekrar görünür hale gelir. Kromozomlar incelip uzayarak tekrar kromatin ipliklere dönüşür. İğ iplikleri kaybolur ve böylece çekirdek bölünmesi (karyokinez) tamamlanır.

Sitoplazma bölünmesi genellikle geç telofazda başlar. Hayvan hücrelerinde, hücre düzleminin ortasında derin olmayan bir oluk oluşur, buna boğumlanma denir. Bu oluğun derinleşmesini sağlayan mikrofilament proteinler, hücreyi ikiye ayırır.

Bölünme sonucu oluşan her hücre, kendine ait çekirdek, sitoplazma ve organellere sahip olur. Böylece tek ana hücreden genetik olarak birbirinin aynı iki yavru hücre meydana gelir.

Bilgi Notu: Mitoz bölünme sonucunda oluşan hücreler, ana hücre ile tamamen aynı genetik yapıya sahiptir ve kromozom sayısı değişmez.

Hücre Bölünmesinin Kontrolü ve Kanser

Hücre döngüsünün kontrolü, dur ve devam et sinyalleri ile sağlanır. G₁, G₂ ve M fazlarında üç önemli kontrol noktası bulunur:

• G₁ fazında: Hücrenin büyüklüğü, besin durumu, büyüme faktörü varlığı ve DNA hasarı kontrol edilir. Büyüme faktörü, belirli vücut hücreleri tarafından salınan ve diğer hücreleri bölünmeye sevk eden bir proteindir.

• G₂ fazında: DNA eşlenmesinin hatasız olup olmadığı kontrol edilir. DNA'da bir hata varsa, hücre döngüsü düzeltilinceye kadar durdurulur.

• M fazında: İğ ipliklerinin kromozomların kinetokorlarına doğru bağlanıp bağlanmadığı kontrol edilir. Eğer bağlanma gerçekleşmezse anafaz başlatılmaz.

Kanser, hücre bölünmesinin kontrolünü kaybetmesi sonucu oluşur. Kontrolsüz bölünen hücrelerin oluşturduğu kitleye tümör denir. Hızlı büyüme ve yayılma göstermeyen tümörlere iyi huylu tümör denir. Eğer tümör organların işlevini bozacak şekilde yayılıyorsa, buna kötü huylu tümör veya kanser denir.

Kanser hücresinin kan ve lenf yoluyla diğer doku ve organlara yayılmasına metastaz denir. Onkoloji, kanser hastalığının oluşumunu, nedenlerini ve tedavisini araştıran bilim dalıdır. Tedavide genellikle radyoterapi ve kemoterapi uygulanır.

Önemli Not: Eşeysiz üreme, döllenme olmadan ana canlıdan yeni bireylerin oluşmasıdır. Başlıca eşeysiz üreme çeşitleri: bölünerek üreme, tomurcuklanma, sporla üreme, rejenerasyon ve partenogenezdir.

Eşeysiz Üreme Çeşitleri

Bölünerek Üreme: Bakteriler ve arkeler gibi prokaryotlarda, paramesyum ve öglena gibi bazı ökaryotlarda görülür. Bakterilerde DNA eşlenir, bakterinin boyu uzar ve ortadan bölünerek iki yeni bakteri oluşur. Örneğin, Escherichia coli bakterisi uygun koşullarda 20 dakikada bir bölünebilir.

Tomurcuklanma: Maya gibi tek hücrelilerde, sünger, hidra ve mercan gibi omurgasız hayvanlarda ve ciğerotlarında görülür. Ana bireyin vücudunda dışa doğru bir çıkıntı (tomurcuk) oluşur ve bu tomurcuk gelişerek yeni bireyi meydana getirir. Oluşan bireyler ya ata canlıdan ayrılır ya da ata bireyle kalıp koloni oluşturabilir.

Sporla Üreme: Spor, ana canlıdan mitoz veya mayozla oluşan haploit üreme hücresidir. Uygun ortamda döllenmeden gelişerek yeni birey oluşturur. Sporlar olumsuz çevre koşullarına dayanıklıdır. Eğrelti otu gibi bitkilerde ve bazı mantarlarda görülür.

Rejenerasyonla Üreme: Çok hücreli canlılarda yıpranan, zarar gören ya da ölen hücrelerin yerini yenilerinin almasıdır. Bu sayede canlılar doku ve organlarını onarabilir. Canlıların gelişmişlik düzeyi arttıkça rejenerasyon yetenekleri azalır. Rejenerasyon doku, organ ve vücut düzeyinde gerçekleşebilir.

İlginç Bilgi: İnsanlarda karaciğer, deri gibi dokular sınırlı rejenerasyon yeteneğine sahipken, deniz yıldızları kopan kollarından tamamen yeni bir birey oluşturabilir!

Partenogenez ve Vejetatif Üreme

Partenogenez: Döllenmemiş yumurta hücresinin gelişerek yeni bir birey oluşturmasıdır. Bal arılarında kraliçe arının ($2n$) mayozla oluşturduğu bazı yumurtalar döllenmeden gelişerek haploit ($n$) erkek arıları oluşturur. Döllenmiş yumurtalardan ise diploit dişi embriyolar gelişir. Bunlardan çiçek tozuyla beslenenler işçi arı, arı sütüyle beslenenler kraliçe arı olur.

Genetik çeşitliliğe yol açan üç temel olay şunlardır:

1. Mayoz
2. Döllenme
3. Mutasyon

Vejetatif Üreme: Bitkilerde görülen bir eşeysiz üreme çeşididir. Bitkinin bir parçasından veya özelleşmiş bir bölümünden yeni bir bitki oluşmasıdır.

Özelleşmiş gövde ve köklerle üretimde yumrular, rizomlar, sürünücü gövdeler (stolon) ve soğan gibi vejetatif organlar kullanılır:

• Yumru İle Üreme: Bazı bitkilerde yumru adı verilen toprak altı gövdesi bulunur. Patates gibi bitkilerde yumru üzerindeki göz adı verilen yapılar toprağa ekilerek yeni bitkiler geliştirilir.

Uygulamalı Bilgi: Bitkilerin vejetatif organlarıyla üretilmesi, bahçecilikte ve tarımda sıklıkla kullanılır. Böylece ana bitkiyle aynı genetik özelliklere sahip bitkiler elde edilir!

Vejetatif Üreme Çeşitleri

Rizomla Üreme: Bitkinin ana ekseni olan rizom, toprak altı gövdesidir. Rizomlu bitkilere zencefil örnek verilebilir. Rizomlar toprağa ekilerek yeni bitkiler elde edilir.

Sürünücü Gövde ile Üreme: Ana bitkiden çıkan sürünücü gövde (stolon), toprak üzerinde belirli aralıklarla kök salar ve buradan yaprak oluşturarak yeni bitkiyi meydana getirir. Çilek bu tür üremeye iyi bir örnektir.

Bahçecilik İpucu: Vejetatif üreme yöntemleriyle, ana bitkiyle tamamen aynı genetik özelliklere sahip, kaliteli ürün veren bitkiler kolayca çoğaltılabilir!

Mayoz ve Eşeyli Üreme

Eşeyli üreme, genetik olarak aynı türe ait, farklı iki üreme hücresinin birleşmesiyle yeni yavruların meydana gelmesidir. Eşeyli üremede mayoz bölünme önemli rol oynar.

Mayoz ile diploid ($2n$) kromozomlu üreme ana hücrelerinden, haploit ($n$) kromozomlu üreme hücreleri oluşur. Bu hücreler daha sonra farklılaşarak sperm ve yumurta gibi gamet hücrelerine dönüşür.

Mayoz bölünmeden önce interfaz evresinde DNA kendini eşler, gerekli enzimler ve proteinler üretilir. Mayoz, mayoz I ve mayoz II olmak üzere iki aşamadan oluşur.

Mayoz I evreleri:

Profaz I: Çekirdekçik kaybolur, çekirdek zarı parçalanır ve kromatik iplikler kromozomlar halinde belirginleşir. İki homolog kromozom yan yana gelerek tetrat oluşturur. Homolog kromozomların birbirine yaklaşarak sarmal bir yapı oluşturmasına sinapsis, temas ettikleri noktalara kiyazma denir. Kardeş olmayan kromatitler arasında parça değişimi olabilir, bu olaya krossing over denir.

Metafaz I: Tetratlar hücrenin ekvatoral düzlemine yerleşir. Homolog kromozomlar sentromerlerinden iğ ipliklerine bağlanır.

Anafaz I: Homolog kromozomlar birbirinden ayrılır. Her bir kutba ana hücrenin yarısı kadar kromozom gider.

Telofaz I ve Sitokinez: Kutuplara yerleşen haploit kromozom takımlarındaki her kromozom hala iki kromatitlidir. Sitoplazma bölünmesiyle iki haploit hücre oluşur.

Önemli Not: Mayoz I'de homolog kromozomların ayrılması ve krossing over sayesinde genetik çeşitlilik sağlanır.

Mayoz II

Mayoz II, mitoz bölünmeye benzer ancak DNA'nın kendini eşlediği interfaz evresi görülmez. Mayoz I sonunda oluşan haploit hücreler, mayoz II'ye girer:

Profaz II: Çok kısa sürer. Çekirdek zarı parçalanır ve iğ iplikleri oluşur.

Metafaz II: Kardeş kromatitleri taşıyan kromozomlar hücrenin ortasında tek sıra halinde dizilir. Krossing over geçirmiş kromatitler genetik olarak birbirinden farklıdır.

Anafaz II: Kardeş kromatitler iğ iplikleri sayesinde ayrılarak zıt kutuplara hareket eder. Bu aşamadan sonra her kromatit bağımsız bir kromozom olarak kabul edilir.

Telofaz II ve Sitokinez: Kromozomlar kromatin ipliklere dönüşür. Çekirdek zarı ve çekirdekçik yeniden oluşur. Sitoplazma bölünmesiyle, mayoz I'den gelen her haploit hücreden iki haploit hücre meydana gelir. Sonuç olarak, başlangıçtaki diploit hücreden toplam dört haploit hücre oluşmuş olur.

Önemli Hatırlatma: Mayoz bölünme sonucunda oluşan dört hücre, hem ana hücreden hem de birbirinden farklı genetik yapıya sahiptir ve haploit kromozom sayısına sahiptir!

Mayoz bölünme sırasında kromozom sayısı yarıya iner ve genetik çeşitlilik oluşur. Bu sayede canlı türleri değişen çevre koşullarına uyum sağlayabilir ve nesillerini devam ettirebilir.