Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз. Митоз – деление соматических клеток. Мейоз. Фазы митоза и мейоза
Жизненный цикл клетки
Жизненный цикл клетки – это время существованя клетки с момента первого деления до следующего деления, или до последнего деления (смерти клетки).
Клетки делятся несколькими способами:
Интерфаза
Митотический цикл состоит из двух последовательных стадий.
Непосредственно перед делением клетка проходит интерфазу, или стадию покоя, функциональное значение которой в том, что во время неё синтезируется ДНК. Длительность стадии покоя составляет 90% и более в течение всего цикла клеточного деления.
Интерфаза представлена тремя периодами:
Период
Характеристика
Пресинтетический, или постмитотический
Обозначается G1 или q1. Продолжительность этого периода 10 часов и более. Осуществляется сразу после деления клетки. Содержание генетического набора в клетке – 2n2c, диплоидный набор хромосом, каждая из которых имеет одну хроматиду. Здесь происходит восстановление структуры интерфазной клетки: окончательно формируется ядрышко; масса клетки увеличивается за счёт синтеза белка; происходит образование ферментов, участвующих в катализе реакции репликации; синтезируется белок; увеличивается количество различных видов рибонуклеиновой кислоты (РНК). Хромосомы представлены тонкими хроматиновыми нитями, каждая нить состоит из одной хромосомы.
Синтетический
Обозначается как S. Продолжительность 6 – 10 часов. В данном периоде происходит удвоение (репликация, дупликация) ДНК, хромосомы становятся двухроматидными. Это необходимо для последующего митотического деления клетки. Также, на этом этапе продолжается рост клетки, начавшийся в пресинтетичском периоде, синтезируется РНК, белки – гистоны, в последующем соединяющиеся с ДНК. Генетический материал – 2n4c.
Постсинтетическийилипремитотический
Обозначение: G2 (q2).Содержание генетической информации – 2n4c. В этом периоде осуществляется подготовка к митозу, продолжается он 2 – 5 часов. Происходит усиленное образование энергии АТФ; синтезируются белки, которые необходимы для обеспечения процесса деления и образования веретена деления; начинается спирализация хромосом; значительно увеличивается объём ядра, а, следовательно, и масса цитоплазмы. Далее клетка непосредственно переходит к стадии митоза.
Митоз – деление соматических клеток
Митоз – это непрерывный процесс деления клеток, который подразделяется на 4 последовательных стадий: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
Мейоз
Мейоз – это процесс деления клетки, при котором число хромосом уменьшается вдвое, происходит образование гаплоидных клеток.
Данный процесс проходит в двух последовательных деления, первое из которых принято называть редукционным (мейоз I), а второе эквационным (мейоз II). Эквационное деление также можно назвать уравнительным, оно позволяет сохранить гаплоидный набор хромосом. Второе деление по механизму протекания схоже с митозом, однако здесь к полюсам расходятся сестринские хроматиды.
Так же, как и митоз, мейоз начинается после интерфазы. Количество ДНК перед первым делением составляет 2n4c, где n – хромосомы, с – молекулы ДНК. Это обозначает, что каждая хромосома состоит из двух хроматид и имеет гомологичную пару. После первого деления, перед вторым, количество ДНК в каждой дочерней клетке уменьшается до 1n2c. Результатом мейоза после второго деления является образование четырёх гаплоидных клеток. Мейоз представлен такими же четырьмя фазами, как и митоз, однако протекающие процессы в двух этих делениях существенно отличаются.
Мейоз I
Мейоз II
Перед эквационным делением интерфаза называется интеркинезом, так как удвоения наследственного материала (ДНК) не происходит.
Для того чтобы клетка смогла полноценно разделиться, она должна увеличиться в размерах и создать достаточное количество органоидов. А для того чтобы не растерять наследственную информацию при делении пополам, она должна изготовить копии своих хромосом. И, наконец, для того чтобы распределить наследственную информацию строго поровну между двумя дочерними клеткам, она должна в правильном порядке расположить хромосомы перед их распределением по дочерним клеткам. Все эти важные задачи решаются в процессе клеточного цикла.
Клеточный цикл имеет важное значение, т.к. он демонстрирует важнейшие свойства клетки: способность к размножению, росту и дифференцировке. Обмен тоже идёт, но его не рассматривают при изучении клеточного цикла.
Определение понятия
Клеточный цикл (синоним: жизненный цикл клетки)— это период жизни клетки от её рождения до образования дочерних клеток или смерти.
У животных клеток клеточный цикл, как промежуток времени между двумя делениями (митозами), длится в среднем от 10 до 24 часов.
Клеточный цикл состоит из нескольких периодов (синоним: фазы), которые закономерно сменяют друг друга. В совокупности первые фазы клеточного цикла (G1, G0, S и G2) носят название интерфазы, а последняя фаза называется митозом.
Рис. 1.Клеточный цикл.
Периоды (фазы) клеточного цикла
Синонимы: постмитотический (наступает после митоза) период, пресинтетический (проходит перед синтезом ДНК) период.
Клеточный цикл начинается от рождения клетки в результате митоза. Дочерние клетки, появившиеся в результате деления материнской клетки, уменьшены в размерах и в них меньше органоидов, чем в норме. Поэтому «новорожденная» маленькая клетка в первом периоде (фазе) клеточного цкла (G1) растёт и увеличивается в размерах, а также формирует недостающие органоиды. Идёт активный синтез белков, необходимых для ввсего этого. В результате клетка становится полноценной, можно сказать, «взрослой».
Чем обычно заканчивается для клетки период роста G1?
Понятие синтеза в названии этого периода относится ксинтезу (репликации) ДНК, а не к каким-либо другим процессам синтеза. Достигнув определенного размера в результате прохождения периода первого роста, клетка вступает в синтетический период, или фазу, S, в котором происходит синтез ДНК. За счёт репликации ДНК клетка удваивает свой генетический материал (хромосомы), т.к. в ядре образуется точная копия каждой хромосомы. Каждая хроммосома становится двойной и весь хромосомный набор становится двойным, или диплоидным. В результате клетка теперь готова поделить наследственный материал поровну между двумя дочерними клетками, не потеряв при этом ни одного гена.
Синонимы: премитотический (проходит перед митозом) период, постсинтетический (наступает после синтетического) период.
Период G2 является подготовительным к очередному делению клетки. Во время второго периода роста G2 клетка производит белки, требующиеся для митоза, в частности, тубулин для веретена деления; создаёт запас энергии в виде АТФ; проверяет, закончена ли репликация ДНК, и готовится к делению.
Митоз M (синоним: митотический цикл), заключается в том, что клетка правильно делится на две дочерние клетки. Благодаря механизмам комплементарного синтеза при репликации ДНК в синтетическом периоде и механизму распределения хроматид в митозе каждая дочерняя клетка получает идентичный набор хромосом, являющийся точной копией хромосомного набора материнской клетки. Короче говоря, за счёт танцевв хромосом, они расределяются пополам и поровну между двумя дочерними клетками, образовавшимися в результате деления. Подробнее о митозе.
После деления клетка оказывается в новой фазе G1, и клеточный цикл завершается.
Рис. 3. Клеточный цикл растительных клеток. Источник изображения: http://fizrast.ru/razvitie/rost/osobennosti.html
Регуляция клеточного цикла
ФС (MPF) — это гетеродимерный фермент, включающий в себя регуляторную субъединицу, а именно циклин, и каталитическую субъединицу, а именно циклинзависимую киназу ЦЗК (CDK от англ. cyclin dependent kinase), она же p34cdc2; 34 кДа. Активной формой этого фермента является лишь димер ЦЗК+циклин. Кроме того, активность ЦЗК регулируется путем обратимого фосфорилирования самого фермента. Циклины получили такое название потому, что их концентрация циклически изменяется в соответствии с периодами клеточного цикла, в частности, она снижается перед началом деления клетки.
В клетках позвоночных присутствует ряд различных циклинов и циклинзависимых киназ. Разнообразные сочетания двух субъединиц фермента регулируют запуск митоза, начало процесса транскрипции в G1-фазе, переход критической точки после завершения транскрипции, начало процесса репликации ДНК в S-периоде интерфазы (стартовый переход) и другие ключевые переходы клеточного цикла (на схеме не приведены). В ооцитах лягушки вступление в митоз (G2/M-переход) регулируется путем изменения концентрации циклина. Циклин непрерывно синтезируется в интерфазе до достижения максимальной концентрации в фазе М, когда запускается весь каскад фосфорилирования белков, катализируемый ФС. К окончанию митоза циклин быстро разрушается протеиназами, также активируемыми ФС. В других клеточных системах активность ФС регулируется за счет различной степени фосфорилирования самого фермента.
Жизненный цикл клетки = клеточный цикл – промежуток времени от деления материнской клетки до непосредственного деления клетки или ее гибели.
За это время клетка успевает пройти стадию дифференцировки. Клетки при «рождении» обладают свойством тотипотентности, то есть у них есть разные пути развития и перспектива выполнять разные функции, иначе это называется дифференцировкой. Клетка растет, выполняет свою работу в зависимости от типа, а затем либо делится, либо погибает.
Клеточная смерть
Существует два пути конца существования клетки:
Интерфаза
1.G1 – период (постмитотический или пресинтетический период)
Начинается сразу после образования клетки в результате митоза материнской клетки. В клетке увеличивается содержание цитоплазматических белков, следовательно, размеры клетки увеличиваются до размеров материнской клетки.
В эту фазу клетка принимает решение: вступать в митоз или не делиться. Момент принятия решения называется точкой рестрикции.
2.S – период (синтетический период)
В ядре удваивается ДНК, кроме центромерных участков. Удваиваются хромосомные белки.
В цитоплазме удваиваются центриоли.
К концу S – фазы клетка тетраплоидна (4n) по ДНК.
3.G2 – период (постсинтетический или премитотический период)
Происходит синтез других белков, необходимых для митоза, в том числе, тубулина, из которого формируются трубочки веретена деления.
Все деление клетки, включая митоз, занимает примерно один сутки, притом на пресинтетическую фазу (G1) около 9 часов, а синтетическую (S) — 10 часов, постсинтетическую (G2) – 4,5 часа, а непосредственно на митотическое деление – всего полчаса.
Митоз
Митоз – непрямое деление клетки, в результате которого образуются 2 дочерние клетки, полностью идентичные материнской клетке.
В ядре конденсируются хромосомы, каждая из них содержит по 2 хроматиды, что является результатом репликации в S – периоде.
В цитоплазме: ЭПС и аппарат Гольджи тоже распадаются на пузырьки – везикулы.
Пары центриолей постепенно расходятся к полюсам клетки, начинает формироваться веретено деления.
Хромосомы достигают максимальной степени конденсации и выстраиваются на экваторе клетки, то есть по центру, образуя метафазную пластинку.
Связь между сестринскими хроматидами начинает разрушаться.
Завершается формирование веретена деления.
Хроматиды сохраняют максимальную степень конденсации, но теряют связь друг с другом. Они начинают расходиться к полюсам клетки.
Хроматиды каждой хромосомы расходятся к противоположным полюсам.
Дочерние хромосомы деспирализуются (раскручиваются) у полюсов клетки. Начинается синтез белка.
Формируются ядрышки и ядро, этот процесс называется кариокинезом(«карио» — ядро, «кинезис» — формирование.)
Веретено деления распадается.
Начинается цитокинез: по центру клетки образуется перетяжка, клетка разделяется на две, так между дочерними клетками распределяется цитоплазма.
После цитокинеза в клетках восстанавливается аппарат Гольджи и ЭПС.
Мейоз
Мейоз – редукционное деление, при котором число хромосом в дочерних становится гаплоидным. Так сохраняется постоянство числа хромосом при половом размножении.
Мейоз напоминает два митоза, но с некоторыми правками:
Задание EB0518D Установите соответствие между процессами и стадиями клеточного деления: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца
ПРОЦЕССЫ
СТАДИИ ДЕЛЕНИЯ
А) разрушение ядерной оболочки
Б) спирализация хромосом
В) расхождение хроматид к полюсам клетки
Г) образование однохроматидных хромосом
Д) расхождение центриолей к полюсам клетки
Для начала, определим фазы деления. На первом изображении хроматиды расходятся к полюсам деления, это анафаза. Из этих хроматид образуются однохроматидные хромосомы. На второй видно разрушение ядерной оболочки, спирализованные хромосомы, начало образования веретена деления, частью которого являются центриоли, это профаза.
Клетки семязачатка содержат диплоидный набор хромосом – 28 (2n2c).
Перед началом мейоза в S-периоде интерфазы — удвоение ДНК: 28 хромосом, 56 ДНК (2n4c).
В анафазе мейоза 2– к полюсам клетки расходятся хроматиды. После расхождения хроматид число хромосом увеличивается в 2 раза (хроматиды становятся самостоятельными хромосомами, но пока они все в одной клетке) – (2n2с= nc+nc) – 28 хромосом,28 ДНК
В митозе, если формула 2n4c, то это значит, что ДНК уже удвоилась, но еще не разошлась в разные клетки. Это профаза. 1)
Из вариантов способов деления у нас есть только амитоз и мейоз I, это мейоз. 6)
В анафазе мейоза II формула 2n2c, потому что к этому моменту клетка уже один раз пережила одну анафазу и телофазу. Легко запомнить, что в результате мейоза получаются клетки с наборами nc,, значит, в анафазе II, до деления материала пополам, формула 2n2c. 3)
В) выстраивание хромосом в центральной части клетки
Г) начало движения хромосом к центру
Д) расхождение хроматид к полюсам клетки
Е) формирование новых ядерных оболочек
Процессы, происходящие в митозе и мейозе необходимо знать наизусть, это не так сложно. Если понимать, что происходит, то не придется заучивать количество хромосом и хроматид на каждом этапе.
Пробежимся по всем вариантам.
Зная, что происходит в профазе, сразу запишем, что вначале, хромосомы утолщаются и укорачиваются
Затем происходит разрушение ядерной оболочки
Новые ядерные оболочки образуются в конце. Это тоже достаточно логично.
А
Б
В
Г
Д
Е
2
1
6
Допустим, мы пойдем с конца. Перед тем, как образуются две новые ядерные оболочки, в разных полюсах клетки должен находиться генетический материал, который и обособится от цитоплазмы.
А
Б
В
Г
Д
Е
2
1
5
6
К разным полюсам хромосомы должны откуда-то прийти. Естественно, из центра материнской клетки.
А
Б
В
Г
Д
Е
2
1
4
5
6
Для того, чтобы оказаться в центе, хромосомы должны начать двигаться к этому самому центру. И останется последний вариант про утолщение и укорочение хромосом.
Задание EB22419 Установите соответствие между процессами и фазами митоза, изображёнными на рисунках: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.
ПРОЦЕССЫ
ФАЗЫ МИТОЗА
А) расхождение центриолей к полюсам клетки
Б) укорачивание нитей веретена деления
В) присоединение нитей веретена деления к хромосомам
Г) выстраивание хромосом в одной плоскости
Д) спирализация хромосом
Е) движение хромосом к полюсам клетки
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:
Бывает так, что по рисунку сложно понять, какая фаза изображена. Ничего страшного, ведь вариантов у нас ограниченное количество, и можно вначале перечитать процессы, происходящие в фазу, потом понять, к каким фазам они относятся, а уже потом соотносить их с рисунком. Если попался суперудачный рисунок, то можно сразу соотносить.
Пожалуй, пойдем с конца:
Присоединение нитей веретена деления к хромосомам. Предыдущие три варианта были очевидны. Здесь придется вспомнить схему. Прикрепление нитей — метафаза
Укорачивание нитей веретена деления. Когда они могут укорачиваться? Тогда, когда хромосомы стягиваются к полюсам. Значит, это анафаза.
Расхождение центриолей к полюсам. В метафазе и анафазе, как мы уже заметили, нити веретена деления уже прикреплены. От центриолей достраиваются нити веретена деления. Следовательно, это может быть только профаза.
Теперь, когда мы определили фазы, которые у нас спрашиваются, вернемся к рисункам. Самое очевидное — метафаза. Хромосомы на экваторе клетки.
Расхождение хроматид — анафаза, она изображена на третьем рисунке.
Ну и последнее — профаза. Мы еще видим ядерную оболочку, так что, видимо, это ранняя стадия, это не должно смущать.
Задание EB21683 Установите соответствие между процессами, происходящими на разных стадиях жизненного цикла клетки: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.
ПРОЦЕССЫ
СТАДИИ
А) интенсивный обмен веществ
Б) спирализация хромосом
В) удвоение количества органоидов
Г) образование веретена деления
Д) расположение хромосом по экватору клетки
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами
А
Б
В
Г
Д
Е
Итак, для начала, даже не вдаваясь в подробности вспомним о том, что из себя представляет интерфаза. Базовым знанием будет являться то, что интерфаза предшествует клеточному делению. Что же касается длительности — времени она занимает больше, чем само клеточное деление. Теперь, опираясь на эти факты будем рассуждать:
Во-первых, в эту фазу ничего не делится, ведь она является фазой-предшественником.
Во-вторых, для деления явно нужна энергия. Вообще, в подготовку входит всякого рода синтезы.
Интенсивный обмен веществ — исходя из наших рассуждений о том, что для деления нужна энергия, а интерфаза — это подготовка, то отнесем этот вариант к интерфазе.
Кроме синтезов, сюда же отнесем все удвоения или же репликации. К интерфазу так же допишем варианты В) и Е).
Остальное относится к митозу, а именно:
Спирализация хромосом — профаза.
Образование веретена деления — конец профазы — начало метафазы.
Хромосомы на экваторе клетки — метафаза.
Для наглядности прикрепляем пару схем клеточного цикла.
Задание EB19831 Установите соответствие между событиями, происходящими с ядрами клеток в митозе и мейозе.
СОБЫТИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ДЕЛЕНИИ
СПОСОБЫ ДЕЛЕНИЯ КЛЕТОК
А) образование бивалентов
Б) образование диплоидных клеток
В) в анафазе у полюсов клетки образуются однохроматидные дочерние хромосомы
Г) происходит кроссинговер
Д) содержание генетического материала не изменяется
Е) в анафазе происходит расхождение двухроматидных хромосом к полюсам клетки
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:
Прочитаем все варианты и попробуем начать с очевидного.
Мы знаем, что при митозе появляются 2 идентичные материнской клетки, значит, генетический материал не изменяется, поэтому вариант Д соответствует митозу.
Клетки, получающиеся в результате митоза, так как они идентичны материнской — диплоидны, Б — митоз.
Теперь факт для кого-то старый, для кого-то новый: митоз происходит в 1 этап, а мейоз — в 2, кроме того, митоз — простое деление, при нем не происходит никаких интересных процессов.
Кроссинговер. Слово жуткое, наверняка сложный процесс. Все, что сложно — мейоз. И кроссинговер, и конъюгация.
Соответственно, Г — мейоз.
Понятие «бивалент» относится исключительно к мейозу. Бивалент — хромосома, состоящая из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой. А — мейоз.
Для того, чтобы быстро разобраться с вариантами В) и Е) лучше посмотреть на схему митоза и мейоза:
В анафазе митоза к полюсам расходятся однохроматидные хромосомы, а при мейозе I – двухроматидные, однохроматидными они станут на втором этапе деления. В) митоз, Е) мейоз.
Задание EB12272 Установите соответствие между особенностями клеточного деления и его видом.
ОСОБЕННОСТИ КЛЕТОЧНОГО ДЕЛЕНИЯ
ВИД ДЕЛЕНИЯ
A) в результате деления появляются 4 гаплоидные клетки
Б) обеспечивает рост органов
B) происходит при образовании спор растений и гамет животных
Г) происходит в соматических клетках
Д) обеспечивает бесполое размножение и регенерацию органов
Е) поддерживает постоянство числа хромосом в поколениях
Это задание можно выполнить, даже не зная толком, ни митоза, ни мейоза. Во-первых, нужно понимать, что в результате мейоза появляются половые клетки, а митоза — соматические. Во-вторых, в результате митоза, как простого деления, появляется 2 генетически идентичные клетки, а в результате мейоза — 4 с различным генетическим материалом, который достается в случайном порядке в наследство от материнской и отцовской особей.
Вернемся от наших рассуждений про митоз и мейоз к самому заданию.
А) 4 гаплоидных клетки. Мы даже в данном случае можем не вспоминать, гаплоидны наши клетки или диплоидны, обратим внимание на самое явное — количество. 4 клетки, это может быть только мейоз.
Б) Рост органов. Его обеспечивают соматические клетки. Значит, за это отвечает деление — митоз.
В) Споры растений или гаметы животных. Нам, как животным, естественно, ближе животные. Гаметы — половые клетки, которые сливаются, из них получается зигота, из нее развивается зародыш. Раз гаметы, значит, мейоз.
Г) Соматические клетки. Митоз.
Д) Бесполое размножение и регенерация органов. На начальном этапе подготовки мы можем ничего не знать о бесполом размножении, но нам наверняка знакомо понятие «регенерация». Очень ярким примером является краб. Он настолько крут, что может регенерировать не на каком-нибудь клеточном уровне, а на уровне ткани, ведь может отрастить в случае потери себе новую клешню! А в клешне у него соматические клетки. Снова приходим к митозу.
Е) Постоянство числа хромосом в поколениях. Как появляются поколения? Естественно, в результате размножения. К размножению причастен однозначно мейоз.
Запишем результат наших умозаключений в таблицу. Внимательно посмотрите, какая цифра обозначает какое деление.
Следует понимать, что соматические клетки делятся путем митоза, а половые — мейоза. Опираясь на это, возможно, будет легче запомнить. После митоза получится 2 клетки, идентичные материнской, они будут диплоидны. После мейоза — 4 клетки с гаплоидным набором, отличающимся от материнской.
Для того, чтобы дочерние клетки не были идентичны материнской, должны произойти конъюгация, то есть сближение хромосом, и кроссинговер — обмен гомологичными участками. Такие процессы характерны только для мейоза.
Митоз происходит за одно деление, а мейоз — в два этапа.
Таким образом, ответом на вопрос являются варианты 1,3,6.
Для наглядности прикрепляем пару схем клеточного цикла.