План урока:

Жизненный цикл клетки

Митоз

Мейоз и его механизм

Жизненный цикл клетки

Вследствие обмена веществ и энергии клетка все время трансформируется, совершается ее развитие, получившее название жизненного цикла клетки^[1]. Продолжается он до ее смерти или вступления в другое клеточное деление.

В соответствии со специализацией клетки имеют разную продолжительность стадий жизненного цикла. К примеру, нервные клетки работают на протяжении всей жизни многоклеточного организма, не делясь. Другие клетки – крови, эпидермиса – быстро погибают, и по этой причине они осуществляют постоянное деление.

У одноклеточных  организмов деление клетки считается основным способом размножения. Поэтому для них не существует понятия «естественная смерть». Вместо этого в жизненном цикле клетки происходят последовательные дробления и создаются новые организмы. Для многоклеточных существ такое не характерно. Их клетки не способны делиться вечно, иначе они бы стали бессмертными. В ядре любой клеточной структуры находится ДНК, содержащая гены, отвечающие за естественную гибель. Соответственно, в определенный момент они активируются, и клетка погибает. Такую смерть клетки, заложенную генетической программой, называют апоптоз^[2]. Именно этот процесс является заключительным этапом жизненного цикла клетки.

О начале апоптоза свидетельствуют следующие признаки:

1. Клеточная структура «сморщивается»;

2. Объем цитоплазмы уменьшается;

3. У ядерной мембраны происходит скапливание хроматина – генетического вещества, входящего в состав хромосом;

4. Ядро дробится на ряд компонентов.

Рассмотрим на рисунке основные стадии клеточного апоптоза.

До  включения механизма апоптоза клетка претерпевает множество делений.

Периоды жизненного цикла клетки начинаются с периода ее создания после очередного деления.

Жизненный цикл клетки состоит из подготовки ее к делению, непосредственно этапа деления и момента покоя, завершающийся новым делением или апоптозом.

В молодых клеточных структурах происходят процессы подготовки к делению: увеличение объема, восстановление компонентов ядра и цитоплазмы. После этого клетка способна переходить к основной фазе жизненного цикла – митотическому.

Комплекс процессов, совершающихся в клетках от одного деления вплоть до последующего, и завершающихся образование двух новых клеток, именуется митотическим циклом.

Возможно отметить несколько стадий митотического цикла. Познакомимся с ними на рисунке.

Подготовка структурной единицы к делению или интерфаза^[3] является началом жизненного митотического цикла.

В интерфазе клетки принято выделять несколько периодов.

Остановимся подробнее на характеристике основных процессов, происходящих в интерфазе.

1. Пресинтетический период считается максимально длительным – от 10 часов до нескольких дней. Наступает этот период интерфазы незамедлительно после формирования молодой клетки, то есть после деления. Характеризуется он  накоплением РНК и белка, которые необходимы для формирования клеточных структур.

2. Основными процессами синтетического периода интерфазы являются синтез ДНК, РНК и белка, а также удвоение хромосомных структур. Длится этот этап от 6 до 10 часов.

В этот период происходит редупликация^[4] ДНК или репликация.

Вследствие процесса редупликации ДНК осуществляется передача генетической информации и формирование «сестринских» цепочек.

3. Завершающим процессом интерфазы клетки считается постсинтетический период.  Он наименее продолжителен – от 3 до 4 часов. Однако, в этот момент осуществляется накопление энергии, синтез РНК и белков, входящих в состав центриолей клеточного центра. Данный органоид имеет огромное значение при митозе^[5] – способствует созданию веретена деления.

Все этапы интерфазы клетки обладают неодинаковой продолжительностью, что определяется их специализацией. К примеру, нервные клетки постоянно пребывают в пресинтетическом периоде и не делятся. Клетки эпителиальной, а также соединительной ткани, наоборот, непрерывно делятся и для них характерен длительный период митотического цикла.

После завершения подготовительного этапа клетка переходит непосредственно к делению – митозу.

Подведем итог сказанному и опишем весь процесс несколькими предложениями.

Клетка, как любой организм, рождается на свет и развивается. Происходит ее рост и приготовление к выполнению определенной роли. У клеточной структуры есть два пути: либо она начинает выполнять определенные функции в организме, а по истечении этого срока наступает ее гибель; либо она приступает к делению и дает начало новым клеткам.

В любом случае, клетка проходит этап подготовки к делению, который сопровождается образованием веществ и энергии. В это же время осуществляется удвоение молекулы ДНК – каждая цепочка дает начало еще одной. Таким образом, происходит переписывание наследственной информации. Благодаря этому клетки, образовавшиеся в процессе деления, будут похожи друг на друга.

После подготовительного этапа, или интерфазы, наступает деление, которое мы рассмотрим в следующем пункте.

Митоз

Вслед за интерфазой клетка  либо приступает к выполнению своих функций, либо дробится. Деление соматических клеток может быть прямым – амитоз^[6] и непрямым – митоз.

Остановимся подробнее на характеристике данных разновидностей деления соматических клеток.

1. А митоз считается наиболее простой разновидностью деления. В данном случае наблюдается интерфазное состояние ядра, хорошо различимы ядрышко и ядерная мембрана. Не случается одинакового распределения хромосом, а ядро с помощью перетяжки дробится на две части. Соответственно, при амитозе клетка делится, и формируются две дочерние структуры.

В некоторых случаях процесс останавливается и образуется не две клетки, а одна с двумя ядрами.   

Амитозом делятся преимущественно бактерии, сине-зелёные водоросли, клетки печени и эпителия. Данный тип деления отмечается в тканях разрастающегося клубня картофеля, эндосперме, стенках завязи пестика.

При амитозе не проистекает равномерного размещения ядерного материала между дочерними структурами, вследствие этого многие ученые называют его неполноценным делением.

2. Митоз – это процесс прямого деления, сопровождающийся созданием дочерних равноценные структур.

Подобный тип деления был выявлен в 1874 году русским ботаником И.Д.Чистяковым, а в клетках животных – в 1878 году русским гистологом П.И. Перемежко. Подробное изучение дробления клеток осуществлялись значительно позже на растительных объектах Э.Страсбургером и на клетках животных – В.Флемингом.

Митоз считается непрерывным биологическим процессом, однако, для удобства принято выделять несколько фаз.

В основе митоза лежат два основных процесса: кариокинез^[7] и цитокинез^[8].

После интерфазы следует кариокинез, который заключается в делении ядра.

Кариокинез условно разграничивают на несколько фаз, остановимся подробнее на их характеристике.

• Первой стадией кариокинеза считается профаза.

В этот момент случается утолщение и укорачивание хромосом, по этой причине ядро приобретает вид клубка спутанных нитей. Наряду с этим в профазе митоза ядрышки теряются, разлагается ядерная оболочка и хромосомы оказываются погруженными в цитоплазму. Центриоли движутся к полюсам  клетки, между ними натягиваются длинные нити из трубочек и канальцев. Подобным образом, в профазе создается веретено деления.

• Далее следует метафаза митоза. Здесь осуществляется завершение образования веретена деления и прикрепление к нему хромосом. В метафазе клетки хорошо видно, что хромосомы состоят из двух хроматид. Постепенно, хромосомы располагаются в области экватора клетки и формируют метафазную пластинку.

Метафаза считается самым лучшим периодом деления клетки для изучения хромосом. Именно на этой стадии проводится анализ кариотипа учеными.

• Анафаза митоза сопровождается делением центромер, вследствие чего из каждой удвоенной хромосомы образуются две дочерние. Нити веретена деления начинают резко сокращаться и растягивать хромосомы к полюсам. Расхождение хроматид клетки в анафазе происходит быстро и одновременно как «по команде».

• Телофаза митоза сопровождается процессами обратными тем, которые наблюдаются в профазе. Каждая хромосома достигает полюса, после чего они набухают, раскручиваются, становятся не заметны в микроскоп. Вокруг хромосом у каждого полюса формируется ядерная оболочка, в ядрах зарождаются ядрышки. Именно на этапе телофазы вершится разрушение веретена деления клетки.

Данный процесс является завершающей стадией кариокинеза в митозе.

Далее в телофазе происходит цитокинез или деление цитоплазмы.

В животных структурах данный этап наступает с создания в экваториальной зоне перетяжки, способствующей изоляции сестринских клеток друг от друга.

Цитокинез растительной клетки завязывается во внутренней зоне исходной структуры. На данном месте небольшие пузырьки эндоплазматической сети соединяются и формируют клеточную мембрану.

Протяженность всякой фазы митоза неодинакова – от нескольких минут до нескольких дней, что определяется разнообразными факторами: типом клетки, физиологическим состоянием организма, внешних условий и других.

Затем любая дочерняя структура вступает в интерфазу.

Митозу характерно важное биологическое значение, так как по причине одинакового распределения хромосом среди дочерних структур обеспечивается передача генетической информации, а также сохраняется преемственность в ряду поколений. Это гарантирует осуществление    эмбрионального развития и роста организмов, возобновление органов и тканей после повреждения. Митотическое деление клеток считается также цитологической основой бесполого размножения.

В данном пункте мы остановились подробно на делении клеток, составляющих тело любого организма и не участвующих в половом размножении. Выделяют наиболее примитивный тип деления – амитоз, при котором не происходит распределения наследственного материала. Деление клетки происходит с помощью перетяжки и присуще оно простейшим существам.

Наиболее сложным и полноценным считается митоз. Он состоит условно из деления ядра и цитоплазмы. Помимо этого можно выделить пять фаз, следующих друг за другом.

Охарактеризуем весь процесс кратко. Начинается митоз делением ядра, которое сопровождается разрушением ядерной оболочки и освобождением хромосом. При этом происходит формирование веретена деления и размещение хромосом в центре клетки. Затем хромосомы разделяются на две части – хроматиды, каждая из которых расходится к разным концам клетки. Вокруг хроматид образуется ядерная оболочка, и формируются два ядра в разных частях клетки.

После этого начинается деление цитоплазмы и образование двух клеток с одинаковыми наследственными признаками.

В следующем пункте остановимся подробнее на делении половых клеток.

Мейоз и его механизм

Для половых клеток характерен особый вид деления, получивший название мейоза^[9]. Данный процесс сопровождается уменьшением численности хромосом вдвойне, вследствие чего происходит переход клетки из диплоидного состояния в гаплоидное. Вспомнить, что такое набор хромосом, для каких клеток характерен одинарный, а для каких двойной кариотип, вам поможет урок 6 Строение клетки.

Процесс мейоза совершается во время двух следующих одно за другим делений, которые именуются первое и второе мейотические деления.

Для каждого из этих делений мейоза характерны фазы, схожие с таковыми у митоза.

• Начинается первое деление мейоза с профазы I. Она считается самой продолжительной и сложной. Познакомимся с основными стадиями профазы I мейоза на схеме.

• В первой профазе мейоза совершаются процессы, которые мы не встречали в митотическом делении.

Конъюгация^[10] осуществляется на стадии зиготы в мейозе. В данном случае осуществляется сближение парных хромосом своими одинаковыми участками. Вследствие конъюгации в профазе мейоза образуются хромосомные пары, именуемые бивалентами. Число данных структур соответствует гаплоидному набору хромосом. 

В профазе I мейоза после конъюгации осуществляется перекрест хромосом. Данный процесс  в мейозе получил название кроссинговер^[11]. Хромосомы, находящиеся в конъюгированном состоянии, продолжают спирализоваться. При этом отдельные хроматиды одинаковых хромосом переплетаются и перекрещиваются меж собой. Соответственно, на данной фазе мейоза проистекает кроссинговер – перекрёст парных хромосом, сопровождающийся обменом участками хроматид.

• Метафаза первого мейоза сопровождается завершением создания веретена деления. Хромосомы помещаются в экваториальной зоне клетки.

Отличие метафазы мейоза от митоза считается то, что хромосомы выстраиваются парами или бивалентами.

• В анафазе I мейоза происходит движение к полюсам целых одинаковых хромосом. В отличие от митоза, на данном этапе не осуществляется деление центромеры, поэтому хроматиды не разъединяются.

• Телофаза I мейоза самая короткая, однако, здесь происходит восстановление ядерной оболочки около хромосом у полюсов, после чего материнская структура дробится на две дочерние. Количество хромосом в телофазе мейоза соответствует гаплоидному набору.

На данном этапе заканчивается первое мейотическое деление и завязывается второе.

• Второе деление мейоза подобно рядовому митозу, однако клетки, вступающие в него, несут гаплоидный комплект хромосом.

Профаза второго мейоза непродолжительная и сопровождается созданием веретена деления. При протекании метафазы второго деления мейоза  хромосомы устраиваются посередине и присоединяются к микротрубочкам веретена деления. В анафазе второго мейоза наблюдается разъединение их центромер, причем каждая хроматида делается независимой хромосомой. В дальнейшем эти структуры перемещаются к полюсам веретена.

Телофаза второго деления мейоза сопровождается расхождением сестринских хромосом к полюсам и наступает деление клеток. Две гаплоидные клетки дают жизнь 4 гаплоидным.

Вследствие мейоза из одной диплоидной клетки образуется 4 клетки с одинарным комплектом хромосом.

Итак, коротко о данном пункте. Для половых клеток также характерно деление, которое именуется мейозом. Состоит он из двух этапов или делений.

В первом делении происходит разрушение ядерных оболочек, освобождение хромосом и формирование веретена деления. Однако, происходят процессы, отличающие мейоз от митоза. В данном случае осуществляется конъюгация, при которой формируются структуры, состоящие из двух хромосом – биваленты. После этого они подвергаются кроссинговеру – хромосомы обмениваются своими участками.

Далее эти структуры располагаются по центру клетки, благодаря нитям веретена деления осуществляется их растаскивание к разным участкам клетки и разъединение на отдельные хромосомы. В итоге у полюсов клетки оказываются одинарные структуры, то есть произошло уменьшение наследственного материала. Далее делится цитоплазма, и образуются две клетки с гаплоидным или одинарным набором хромосом.

Эти две клетки сразу же переходят к следующему делению, которое повторяет весь процесс митоза. В результате из 2 гаплоидных клеток формируются 4 гаплоидные клетки. Данные структуры дают начало половым клеткам – гаметам.

Важным значением мейоза считается появление потомства с новыми признаками.

Словарь

Жизненный цикл клетки – период от ее образования до деления или гибели.

Апоптоз – генетически заложенная смерть клетки.

Амитоз – простое деление клетки без равномерного распределения наследственного материала.

Интерфаза – подготовка клетки к делению.

Редупликация ДНК – удвоение молекулы ДНК.

Митоз – деление соматических клеток, сопровождающееся образованием двух генетически равноценных структур.

Кариокинез – деление ядра.

Цитокинез – деление цитоплазмы.

Мейоз – деление половых клеток, при котором из одной клетки с двойным набором хромосом образуется четыре с одинарным набором.

Конъюгация – процесс сближения хромосом и объединения их в структуры – биваленты.

Кроссинговер – процесс обмена хромосом своими участками.