Деоба ћелије је појава која лежи у самој основи живота. Размножавање једноћелијских и вишећелијских, као и раст и развиће вишећелијских живих бића заснивају се на деобама ћелија. Стога је разумевање тога када, зашто и како ћелија улази у деобу и како се одвијају саме деобе, неодвојиви део сваког биолошког знања.

Једноћелијски организам који се успешно храни, одржава хомеостазу и расте, свакако ће у једном тренутку доћи у фазу кад ће бити спреман за деобу. Просто, деоба је уобичајен корак у животном циклусу једноћелијског бића, ако су услови повољни и ако је успешно у обављању свих осталих животних функција. Можемо да кажемо да животни циклус једноћелијског бића траје од деобе до поновне деобе.

Било да настаје од једне или од већег броја ћелија, вишећелијски организам расте узастопним деобама и растом самих ћелија. Ћелије којима се размножава такође настају деобама постојећих ћелија. Током раста и развића вишећелијског тела, многе ћелије пролазе кроз дуге периоде непрекидне смене раста и деоба. Неке од њих ће прво престати с таквим узастопним деобама, па потом ући у диференцијацију. Друге ће се током тог периода раста и деоба поступно диференцирати, док не достигну коначни облик и грађу и преузму своју улогу, када ће и престати с деобама. Неке никад неће изаћи из тог „зачараног круга” деоба и раста без диференцирања, производећи тако нове и нове ћелије, докле год живи вишећелијско тело.

Да бисмо разумели шта се дешава у овој смени раста, припреме за деобу и саме деобе, морамо претходно сагледати шта се догађа са наследним материјалом током тих фаза. Раст ћелије свакако подразумева синтезу нових састојака цитоплазме, мембрана, ћелијског скелета итд. То значи да је ДНК ћелије у то време ангажована у интензивној транскрипцији. С друге стране, пред сваку деобу, ћелија мора да репликује ДНК, а сам процес репликације је такав да се не може одвијати истовремено са транскрипцијом. Оба ова процеса захтевају да ДНК буде доступна, тј. да буде „спакована” само до првог нивоа – нуклеозома, тј. еухроматина. У таквом расплетеном стању, па чак и у гушће упакованом хетерохроматину, хроматинске нити су још увек веома дуге и њихова дужина далеко превазилази пречник једра, па и величину саме ћелије. На крају, сама деоба подразумева да се те нити хроматина тј. хромозоми правилно расподеле на две новонастајуће ћелије.

Имајући у виду дужину хромозома, таква правилна расподела је немогућа без претходног додатног паковања, тј. кондензације, а тиме и скраћења самих хромозома. Све ово доводи до важног закључка да раст (који укључује транскрипцију), репликација ДНК и деоба морају да буду временски одвојене фазе у животу ћелије.

Када говоримо о смени описаних фаза, обично користимо модел ћелијског циклуса. Током њега, разликујемо две основне фазе: деобу и интерфазу. Деоба еукариотске ћелије може бити митоза или мејоза. Током интерфазе, разликујемо три потфазе: G₁, S и G₂. Током S фазе („синтетске”) се одвија репликација ДНК. У G₁ фази (енг. gap – прекид, празнина, јаз), ћелија расте, врши транскрипцију и синтетише нове компоненте цитоплазме, органела и мембрана. У одређеном тренутку, када се склопе сви унутрашњи и спољашњи услови и сигнали који то регулишу, ћелија „одлучује” да ће ићи у нову деобу и тада почињу припреме за репликацију. Уколико неће ићи у деобу, ћелија не репликује ДНК, тј. нема S фазе, већ тада обично отпочиње диференцијацију.

Репликацијом, од сваког молекула ДНК настају две идентичне копије. Ако се ћелија потом подели митотичком деобом, свака од две ћерке ћелије добиће по један од та два идентична сестринска молекула ДНК. Током G₂ фазе, ћелија се припрема за деобу. Између осталог, синтетише се довољна количина протеина тубулина потребног за микротубуле деобног вретена, које ће одиграти кључну улогу у раздвајању и правилној расподели хромозома.

Комплетна наследна информација, која је икад потребна било којој ћелији неког вишећелијског организма, садржана је у свакој ћелији тог организма. Замислимо сад организме у чијим ћелијама је сва та наследна информација садржана у по једној копији, дуж једног молекула ДНК, тј. у једном хромозому. Такву ћелију, с једном копијом целокупног наследног материјала, од сад ћемо означавати као хаплоидну (n). Будући да има све потребне генетичке информације (без обзира на то што су у једној копији!), вишећелијско тело може нормално да расте и развија се. Током раста организма, ћелије се деле митозом.

Пред митозу, ДНК тог једног хромозома се репликује (у S-фази), после чега је хромозом удвојен – чине га две сестринске хроматиде, од којих свака у себи има по један од два молекула ДНК настала репликацијом. Од репликације, па до разилажења у деоби, те две хроматиде су на једном месту везане једна за другу, чинећи тако један удвојени хромозом. Иако сад има две копије наследног материјала, такву ћелију још увек означавамо као хаплоидну, јер су те две копије сестринске и идентичне, настале репликацијом, а та ћелија их има јер се спрема за деобу.

Током митозе, две сестринске хроматиде ће се раздвојити и отићи свака пут једног пола ћелије, тако да свака нова ћелија наследи по једну. Тако, од једне ћелије са хаплоидном гарнитуром наследног материјала, претходно удвојеног, настају две, такође хаплоидне, али с једноструким хромозомом.

Ова једнострука количина наследног материјала довољна је и за бесполно размножавање. Једна ћелија одваја се од родитељског организма, дајући нову јединку. Могуће је и да се део тела, сачињен од већег броја генетички идентичних ћелија, одвоји и да од њега настане нова јединка. Ћелије од којих настају нове једнике, настале су митозама у родитељском организму и садрже потпуно исти наследни материјал, као било која ћелија родитељске јединке. Код једноћелијских хаплоидних организама, животни циклус с бесполним размножавањем је још једноставнији – смењују се раст, репликација и деоба, после које се ћелије разиђу, дајући нове хаплоидне, једноћелијске јединке.

Овакав животни циклус, јединки са хаплоидним ћелијама, митотичким деобама и бесполним размножавањем, био је једини присутан код првих еукариота, све до тренутка кад се појавило полно размножавање.

Животни циклус еукариота у коме постоји полно размножавање, поред митотичких деоба, укључује још два кључна догађаја – оплођење и мејозу. У оплођењу, спајају се две хаплоидне ћелије, које зовемо гамети, чиме настаје прва диплоидна (2n) ћелија, коју зовемо зигот.

Та прва диплоидна ћелија има две комплетне гарнитуре наследног материјала, али су оне пореклом из различитих хаплоидних ћелија. Вратимо се сад на наш модел с једним хромозомом у хаплоидној гарнитури (n=1). Два хромозома у диплоидној ћелији садрже гене за исте протеине, који имају исту функцију, на истим местима дуж молекула ДНК. Такве хромозоме, исте по дужини и распореду гена, а различитог порекла (од различитих хаплоидних гамета) зовемо хомологи хромозоми, тј. хомологи парњаци. Ако бисмо их поставили један наспрам другог, гени за исте протеине би се нашли један тачно наспрам другог. Највећи број тих парова гена су међусобно идентични. Ипак, неки од њих могу бити мало различити, у смислу замене једне или две аминокиселине у одговарајућем протеину – производу гена. Али су то и даље гени за протеин са истом улогом. У нашем моделу, с једним хромозомом у хаплоидној гарнитури, диплоидна ћелија има два хромозома (2n=2), исте дужине, са истим генима на истим местима дуж молекула ДНК.

Диплоидна ћелија такође може да се дели митозом. Пре уласка у деобу, она ће, у S-фази ћелијског циклуса, репликовати обе своје гарнитуре наследног материјала, чиме сваки хромозом постаје удвојен – има две хроматиде. Сада ћелија има укупно четири комплета наследног материјала, један пар сестринских пореклом из једног и други пар пореклом из другог хаплоидног гамета. Такву ћелију још увек означавамо као диплоидну (2n), иако има удвојене хромозоме), из истог разлога из кога хаплоидну ћелију пред саму митозу још увек означавамо као хаплоидну.

У митози диплоидне ћелије, две сестринске хроматиде сваког хромозома се разилазе ка половима и свака од њих завршава у једној од две новонастале ћелије. Тако ће свака ћерка ћелија добити такође диплоидну гарнитуру наследног материјала. Одмах по изласку из митозе, имаће потпуно исти наследни материјал, као што је имала мајка ћелија пре репликације – по једну копију пореклом од сваког од гамета, који су оплођењем дали зигот.

Да би поновно оплођење било могуће, неопходно је да од диплоидне ћелије поново настане хаплоидна. У противном, спајањем две диплоидне ћелије, настала би ћелија с четвороструком гарнитуром (4n) наследног материјала. Кад не би било мејозе, после сваког оплођења би се количина наследног материјала удвостручавала.

Као и пред митозу, и пред мејозу ћелија мора да удвоји свој наследни материјал. За разлику од митозе, која је могућа и код хаплоидне ћелије, мејозом може да се дели само ћелија са диплоидном гарнитуром удвојених хромозома. Мејоза се састоји од две узастопне деобе, између којих нема репликације ДНК. У првој мејотичкој деоби, цео један удвојени хромозом, без одвајања сестринских хроматида, иде у једну, а други, са обе своје хроматиде, иде у другу новонасталу ћелију. Тако, првом мејотичком деобом, од ћелије са диплоидном гарнитуром удвојених хромозома, настају две ћелије, свака са по хаплоидном гарнитуром удвојених хромозома. У другој мејотичкој деоби, свака од те две ћелије се дели слично митози хаплоидне ћелије. Сестринске хроматиде се раздвајају и одлазе у различите ћелије. Тако настаје укупно четири ћелије са хаплоидном гарнитуром неудвојених хромозома.

Да резимирамо: у зависности од врсте живих бића и фазе животног циклуса, хаплоидна ћелија има две могуће судбине – или ће репликовати своју ДНК и ићи у митозу, дајући две исте хаплоидне ћелије (исте како међусобно, тако и с ћелијом од које настају), или ће ићи у оплођење, дајући диплоидни зигот. С друге стране, и диплоидна ћелија, опет зависно од врсте живих бића и фазе животног циклуса, има две могуће судбине. Она ће свакако прво репликовати свој наследни материјал, а онда може да: или митозом да две идентичне, такође диплоидне ћелије, или ће ићи у мејозу и двема мејотичким деобама дати четири ћелије с хаплоидном гарнитуром неудвојеног наследног материјала.

Сад је време да ограничење које смо увели у наш поједностављени модел (да је сав наследни материјал хаплоидне гарнитуре у једном молекулу ДНК, „укинемо”, а сам модел уопштимо и приближимо стварном стању у природи. Такве врсте (n=1, 2n=2) постоје, али су изузетно ретке. Код већине врста еукариота комплетна наследна информација смештена је не дуж једног, него на два или више линеарних молекула ДНК тј. хромозома. У свакој врсти, њихов број је тачно одређен, као што су одређене њихове дужине и који су гени смештени на њима, на којим местима и којим редоследом. Ово има веома важне последице на деобе ћелија и разноврсност јединки, али је то тема наше наредне лекције.