Клеточный цикл. Значение интерфазы и митоза

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

         Американский биолог, лауреат  Нобелевской премии Дж. Миллер писал: «Каждую секунду в нашем теле сотни миллионов неодушевленных, но очень дисциплинированных маленьких балерин сходятся, расходятся, выстраиваются в ряд и разбегаются в разные стороны, словно танцоры на балу, исполняющие сложные па старинного танца. Этот древнейший на Земле танец — Танец Жизни. В таких танцах клетки тела пополняют свои ряды, и мы растем и существуем».

Способность к делению - важнейшее свойство клеток. Без деления невозможно представить себе увеличение числа одноклеточных существ, развитие сложного многоклеточного организма из одной оплодотворенной яйцеклетки, возобновление клеток, тканей и даже органов, утраченных в процессе жизнедеятельности организма.

Все клетки нашего тела образуются из одной исходной клетки (зиготы) благодаря многочисленным делениям. Ученые выяснили, что количество таких делений ограничено. Удивительная точность воспроизведения клеток обеспечивается механизмами, отлаженными за миллиарды лет эволюции. Если в системе клеточного деления происходит сбой, то организм становится нежизнеспособным.

Деление клеток осуществляется поэтапно. На каждом этапе деления происходят определенные процессы. Они приводят к удвоению генетического материала (синтезу ДНК) и его распределению между дочерними клетками. Период жизни клетки от одного деления до следующего называется клеточным циклом.

Митоз (от греч. mitos- нить), непрямое деление, основной способ деления эукариотных клеток. Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении редуплицированных хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает образование генетически равноценных клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений. В 1874году И. Д. Чистяков описал ряд стадий (фаз) митоза в спорах плаунов, ещё не ясно представляя себе их последовательность. Детальные исследования по морфологии митоза впервые были выполнены Э. Страсбургером на растениях в 1876-79годах  и В. Флеммингом на животных в 1882году.

 

1.Клеточный цикл. Значение интерфазы и митоза.

     Один из основных признаков живого — самовоспроизведение – определяется на клеточном уровне. Во время митотического деления из одной родительской клетки образуются две дочерние, что обеспечивает непрерывность жизни и передачи наследственной информации.

    Жизнь клетки от начала одного деления до следующего деления называется клеточным циклом .     Промежуток между делениями клеток называется интерфаза. Клеточный цикл состоит из интерфазы, митоза и цитокинеза.

   1.1. Этапы деления клетки

    Деление клетки эукариот можно разделить на два этапа. Сначала происходит деление ядра (кариогенез), а затем деление цитоплазмы (цитогенез)

1.2. Интерфаза

     Интерфаза была открыта в 19 веке, когда ученые изучали морфологию клеток. Прибором для изучения клетки был световой микроскоп, а наиболее явные изменения в строении клеток происходили во время деления. Состояние клетки между двумя делениями получило название «интерфаза» – промежуточная фаза.

      Самые важные процессы в жизни клетки (такие как транскрипция, трансляция и репликация) происходят именно во время интерфазы.

Клетка затрачивает на деление от 1 до 3 часов, а интерфаза может продолжаться от 20 минут до нескольких дней.

Интерфаза (на рис. 3 - I) состоит из нескольких промежуточных фаз:

1.3 Фазы клеточного цикла

G1-фаза (фаза начального  роста – пресинтетическая): происходит  транскрипция, трансляция и синтез  белков;

S-фаза (синтетическая фаза): происходит репликация ДНК;

G2-фаза (постсинтетическая  фаза): происходит подготовка клетки  к митотическому делению.

У дифференцированных клеток, которые более не делятся, отсутствует фаза G2, и они могут находиться в состоянии покоя в фазе G0.

    Перед началом деления ядра хроматин (который, собственно, и содержит наследственную информацию) конденсируется и преобразуется в хромосомы, которые видны в виде нитей. Отсюда и название клеточного деления: «митоз», что в переводе означает «нить».

    После достижения клеткой определенного состояния: накопления белков, удвоения количества ДНК и др. она готова к делению — митозу.

 

1.4 Митоз

Митоз (от греч. mitos- нить), непрямое деление, основной способ деления эукариотных клеток. Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении редуплицированных хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает образование генетически равноценных клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений. В 1874году И. Д. Чистяков описал ряд стадий (фаз) митоза в спорах плаунов, ещё не ясно представляя себе их последовательность. Детальные исследования по морфологии митоза впервые были выполнены Э. Страсбургером на растениях (1876-79году ) и В. Флеммингом на животных (1882). Продолжительность митоза в среднем 1-2 ч., различна для разных видов клеток. Процесс зависит также и от условий внешней среды (температуры, светового режима и других показателей).   Во время митоза клетка проходит ряд последовательных фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, какой был в материнской клетке. Совокупность процессов, происходящих в период подготовки клетки к делению, а также на протяжении самого митоза, называется митотическим циклом. После завершения деления клетка может вступить в период подготовки к синтезу ДНК, обозначаемый символом G1. В это время в клетке усиленно синтезируются РНК и белки, повышается активность ферментов, участвующих в синтезе ДНК. Затем клетка приступает к синтезу ДНК. Две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для синтеза новых цепей ДНК. В результате каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Новая молекула абсолютно идентична старой. В этом заключается глубокий биологический смысл: таким путем в бесчисленных клеточных поколениях сохраняется преемственность генетической информации.

 

1. Основные фазы метоза

     Процесс митоза принято подразделять на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 1–3). Так как он непрерывен, смена фаз осуществляется плавно — одна незаметно переходит в другую.

2.1 Профаза

    Первая фаза митоза — профаза. Перед началом деления во время синтетического периода интерфазы происходит удвоение количества носителей наследственной информации – транскрипция ДНК.

  Затем ДНК соединяется с белками-гистонами и максимально спирализуется, образуя хромосомы. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, объединенных центромерой (см. видео). Хроматиды являются достаточно точными копиями друг друга – генетический материал (ДНК) хроматид копируется во время синтетического периода интерфазы.

 

  Количество ДНК в клетки обозначают 4с: после репликации в синтетическом периоде интерфазы оно становится в два раза больше, чем количество хромосом, которое обозначается 2n.

   В профазе разрушается ядерная оболочка и ядрышки. Центриоли расходятся к полюсам клетки и начинают при помощи микротрубочек формировать веретено деления. В конце профазы ядерная оболочка полностью исчезает.

 

2.2 Метафаза

    Вторая фаза митоза – метафаза. В метафазе хромосомы присоединяются центромерами к нитям веретена деления, отходящим от центриолей (см. видео). Микротрубочки начинают выравниваться по длине, в результате чего хромосомы выстраиваются в центральной части клетки – на её экваторе. Когда центромеры располагаются на равном расстоянии от полюсов, их движение прекращается.

   В световой микроскоп можно увидеть метафазную пластинку, которая образована хромосомами, расположенными на экваторе клетки. Метафаза и следующая за ней анафаза обеспечивают равномерное распределение наследственной информации сестринских хроматид между клетками.

 

2.3 Анафаза

   Следующая фаза митоза — анафаза. Она самая короткая. Центромеры хромосом делятся, и каждая из освободившихся сестринских хроматид становится самостоятельной хромосомой.

Нити веретена деления разводят сестринские хроматиды к полюсам клетки.

    В результате анафазы у полюсов собирается такое же количество хромосом, как и было в исходной клетке. Количество ДНК у полюсов клетки становится равно 2C, а количество хромосом (сестринских хроматид) – 2n.

 

 

 2.4. Телофаза

   Заключительная стадия митоза — телофаза. Вокруг хромосом (сестринских хроматид), собранных у полюсов клетки, начинает формироваться ядерная оболочка. В клетке  у полюсов возникает два ядра.    Происходят процессы, обратные профазе: ДНК и белки хромосом начинают деконденсироваться, и хромосомы перестают быть видны в световой микроскоп, образуются ядерные оболочки, формируются ядрышки, в которых начинается транскрипция, исчезают нити веретена деления.

   Окончание телофазы преимущественно совпадает с разделением тела материнской клетки — цитокинезом.

2.5 Цитокинез

  Далее происходит разделение клетки: между новыми ядрами, расположенными у полюсов клетки, равномерно распределяются органоиды, формируется перегородка клеточной мембраны (плазмалеммы).

   Распределение цитоплазмы в растительных и животных клетках происходит по-разному. В растительных клетках на месте метафазной пластинки образуется клеточная стенка, которая делит клетку на две дочерние. В этом участвует веретено деления с образованием специальной структуры — фрагмопласта. Животные клетки делятся с образованием перетяжки.

    В результате митоза образуются две клетки, которые генетически идентичны исходной, хотя каждая из них содержит только одну копию наследственной информации материнской клетки. Копирование наследственной информации происходит во время синтетического периода интерфазы.

   Иногда деление цитоплазмы не происходит, образуются двух- или многоядерные клетки.

    Весь процесс митотического деления занимает от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от видовых особенностей живых организмов.

 

    Частота митоза в разных тканях и в разных организмах резко отличная. Например, в красном костном мозге человека каждую секунду происходит 10 млн. митозов. На данное время точно не известно, какие факторы побуждают клетку к митозу, но считают, что в этом существенную роль играет соотношения объемов ядра и цитоплазмы (ядерно-цитоплазматичне соотношение). Увеличения объема клетки связанное с синтезом белков, нуклеинових кислот, липидов и других химических компонентов клетки.    Поэтому наступает момент, когда поверхность ядра становится недостаточной для обеспечения обмена веществ между ядром и цитоплазмой, необходимых для дальнейшего роста. Деление клетки значительно увеличивает поверхность как самой клетки, так и ее ядра, не увеличивая при этом их объема; поэтому считают, что фактор, который ограничивает ядерно-цитоплазматичне соотношение, каким-то чином побуждает клетку к митотичного делению.

 

2.6 Нарушения митоза.

  При различных патологических процессах нормальное течение митоза нарушается. Выделяют 3 основных вида патологии митоза: 1) Повреждения хромосом (набухание, склеивание, фрагментация, образование мостов, повреждения центромеров, отставание отдельных хромосом при движении, нарушение их спирализации и деспирализации, раннее разъединение хроматид, образование микроядер. 2) Повреждения митотического аппарата (задержка митоза в метафазе, многополюсный, моноцентрический и асимметричный митоз, трёхгрупповая и полая метафазы). Особое значение в этой группе патологий митоза имеет колхициновый митоз, или К-митоз, который вызывается алкалоидом колхицином (отсюда название), а также колцемидом, винбластином, винкристином, аценафтеном и др. т. н. статмокинетическими ядами, используемыми в качестве мутагенов. К-митозы возникают и самопроизвольно в культуре ткани и опухолях. При К-митозе нарушаются расхождение центриолей и поляризация ими веретена деления, подвергается дезорганизации митотический аппарат, не происходит разъединения хроматид (К-пары). 3) Нарушения цитотомии. Патологические митозы возникают после воздействия митотических ядов, токсинов, экстремальных факторов (ионизирующее излучение, аноксия, гипотермия), при вирусной инфекции и в опухоли. Резкое увеличение числа патологических митозов типично для злокачественных опухолей.

2.7 Биологическое значение митоза

  Генетическая стабильность. В результате митоза получаются два ядра, содержащие каждое столько же хромосом, сколько их было в родительском ядре. Эти хромосомы происходят от родительских хромосом путем точной репликации ДНК, поэтому гены их содержат совершенно одинаковую наследственную информацию. Дочерние клетки генетически идентичны родительской клетке, так что никаких изменений в генетическую информцию митоз внести не может. Поэтому клеточные популяции (клоны), происходящие от родительских клеток, обладают генетической стабильностью.

   Рост. В результате митозов число клеток в организме увеличивается (процесс, известный под названием гиперплазии), что представляет собой один из главных механизмов роста.   Бесполое размножение, регенерация и замещение клеток. Многие виды животных и растений размножаются бесполым путем при помощи одного лишь митотического деления клеток. Кроме того, митоз обеспечивает регенерацию утраченных частей (например, ног у ракообразных) и замещение клеток, происходящее в той или иной степени у всех многоклеточных организмов.

Заключение

     Митоз — непрямое деление клетки, при котором из одной исходной клетки образуются две дочерние клетки с таким же набором хромосом, как и у материнской.

   В результате митоза из одной диплоидной клетки, имеющей двухроматидные хромосомы и удвоенное количество ДНК (2n4с), образуются две дочерние диплоидные клетки с однохроматидными хромосомами и одинарным количеством ДНК (2n2с), которые затем вступают интерфазу. Так образуются соматические клетки (клетки тела) организма растения, животного или человека. Митоз оказывает содействие росту организма в эмбриональном и постембриональном периодах, копированию генетической информации и образованию генетически равноценных клеток.

   Митоз – наиболее распространенный способ репродукции клеток животных, растений, простейших. Это основа роста и вегетативного размножения всех эукариотив — организмов, которые имеют ядро. Основная его роль состоит в точном воспроизведении клеток, обеспечении равномерного распределения хромосом материнской клетки между возникающими из нее двумя дочерними клетками и поддержании постоянства числа и формы хромосом во всех клетках растений и животных. За счет митоза все функционально устаревшие клетки организма заменяются новыми. Это деление лежит в основе процесса регенерации -восстановления утраченных тканей.

  Кроме митоза, существуют и другие типы деления.

 

 

 

 

 

 

 

Список источников

1. Краснодембский Е. Г."Общая биология: Пособие для старшеклассников и поступающих в вузы"