В чем заключается подготовка клетки к митозу. Митоз – значение и стадии. Жизненный цикл клетки
Вспомните!
Как, согласно клеточной теории, происходит увеличение числа клеток?
Новые дочерние клетки образуются путем деления материнской клетки, поэтому процесс размножения организма имеет клеточную природу.
Как вы считаете, одинакова ли продолжительность жизни разных типов клеток в многоклеточном организме? Обоснуйте своё мнение.
Нет, продолжительность зависит от строения и выполняемых функций
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое жизненный цикл клетки?
Клеточный или жизненный цикл клетки – это жизнь клетки с момента ее появления до деления или гибели. Клеточный цикл условно делят на два периода: длительный – интерфаза, и сравнительно короткий – само деление.
2. Каким образом в митотическом цикле происходит удвоение ДНК? Объясните, в чём заключается биологический смысл этого процесса.
Удвоение ДНК происходит в синтетической фазе интерфазы. Каждая молекула ДНК превращается в две одинаковые дочерние молекулы ДНК. Это нужно для того, чтобы во время деления клетки каждая дочерняя клетка получила свою копию ДНК. Фермент ДНК-хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, двойная цепочка ДНК расплетается на две одинарных. Затем фермент ДНК-полимераза достраивает каждую одинарную цепочку до двойной по принципу комплементарности. Каждая дочерняя ДНК содержит одну цепочку из материнской ДНК и одну новосинтезированную – это принцип полуконсервативности. Согласно принципу антипараллельности цепочки ДНК лежат друг к другу противоположными концами. ДНК может удлиняться только 3"-концом, поэтому в каждой репликационной вилке только одна из двух цепочек синтезируется непрерывно. Вторая цепочка (отстающая) растет в 5"-направлении с помощью коротких (100-200 нуклеотидов) фрагментов Оказаки, каждый из которых растет в 3"-направлении, а затем с помощью фермента ДНК-лигазы присоединяется к предыдущей цепочке. Скорость репликации у эукариот – 50-100 нуклеотидов в секунду. В каждой хромосоме имеется множество точек начала репликации, от каждой из которых расходятся 2 репликационные вилки; за счет этого вся репликация занимает около часа. Удвоением ДНК называется сложный процесс её самовоспроизведения. Благодаря свойству молекул ДНК самоудваиваться возможно размножение, а также передача наследственности организмом своему потомству, ведь полные данные о строении и функционировании находятся в закодированном виде в генной информации организмов. ДНК – является основой наследственных материалов большинства микро- и макроорганизмов. Правильное название процесса удвоения ДНК - репликация (редупликация).
3. В чём состоит подготовка клетки к митозу?
Стадия подготовки клетки к делению называется интерфаза. Она подразделяется на несколько периодов. Пресинтетический период (G1) - это наиболее продолжительный период клеточного цикла, наступающий после деления (митоза) клеток. Число хромосом и
содержание ДНК - 2n2с. У разных видов клеток период G1 может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток. В этот период в клетке активно синтезируются белки, нуклеотиды и все виды РНК, делятся митохондрии и пропластиды (у растений), образуются рибосомы и все одномембранные органоиды, увеличивается объём клетки, накапливается энергия, идёт подготовка к редупликации ДНК. Синтетический период (S) - это важнейший период в жизни клетки, во время которого происходит удвоение ДНК (редупликация). Длительность S -периода - от 6 до 10 часов. В это же время идёт активный синтез белков-гистонов, входящих в состав хромосом, и их миграция в ядро. К концу периода каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединённых друг с другом в области центромеры. Тем самым число хромосом не меняется (2n), а количество ДНК удваивается (4с). Постсинтетический период (G2) наступает после завершения удвоения хромосом. Это период подготовки клетки к делению. Он длится 2-6 часов. В это время активно накапливается энергия для предстоящего деления, синтезируются белки микротрубочек (тубулины) и регуляторные белки, запускающие митоз.
4. Опишите последовательно фазы митоза.
Процесс митоза принято подразделять на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Так как он непрерывен, смена фаз осуществляется плавно - одна незаметно переходит в другую. В профазе увеличивается объем ядра, и вследствие спирализации хроматина формируются хромосомы. К концу профазы видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Постепенно растворяются ядрышки и ядерная оболочка, и хромосомы оказываются беспорядочно расположенными в цитоплазме клетки. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется ахроматиновое веретено деления, часть нитей которого идет от полюса к полюсу, а часть - прикрепляется к центромерам хромосом. Содержание генетического материала в клетке остается неизменным (2n4c). В метафазе хромосомы достигают максимальной спирализации и располагаются упорядоченно на экваторе клетки, поэтому их подсчет и изучение проводят в этот период. Содержание генетического материала не изменяется (2n4c). В анафазе каждая хромосома «расщепляется» на две хроматиды, которые с этого момента называются дочерними хромосомами. Нити веретена, прикрепленные к центромерам, сокращаются и тянут хроматиды (дочерние хромосомы) к противоположным полюсам клетки. Содержание генетического материала в клетке у каждого полюса представлено диплоидным набором хромосом, но каждая хромосома содержит одну хроматиду (4n4c). В телофазе расположившиеся у полюсов хромосомы деспирализуются и становятся плохо видимыми. Вокруг хромосом у каждого полюса из мембранных структур цитоплазмы формируется ядерная оболочка, в ядрах образуются ядрышки. Разрушается веретено деления. Одновременно идет деление цитоплазмы. Дочерние клетки имеют диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной хроматиды (2n2c).
Оно состоит в том, что митоз обеспечивает наследственную передачу признаков и свойств в ряду поколений клеток при развитии многоклеточного организма. Благодаря точному и равномерному распределению хромосом при митозе все клетки единого организма генетически одинаковы. Митотическое деление клеток лежит в основе всех форм бесполого размножения как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Митоз обусловливает важнейшие явления жизнедеятельности: рост, развитие и восстановление тканей и органов и бесполое размножение организмов.
Подумайте! Вспомните!
1. Объясните, почему завершение митоза - деление цитоплазмы происходит по-разному в животных и растительных клетках.
Так как в растительных и животных организмах разные клетки и ткани. Например, клетки специализированных растительных тканей (покровных, механических, проводящих) не способны к делению. Следовательно, в растении должны быть ткани, единственная функция которых заключается в новообразовании клеток. Только от них зависит возможность роста растения. Это образовательные ткани, или меристемы (от греч. meristos - делимый).
2. Клетки, каких растительных тканей активно делятся и дают начало всем остальным тканям растения?
Образовательные ткани, или меристемы, состоят из мелких тонкостенных крупноядерных клеток, содержащих пропластиды, митохондрии и мелкие, практически неразличимые под световым микроскопом вакуоли. Меристемы обеспечивают рост растения и образование всех остальных типов тканей. Их клетки делятся путём митоза. После каждого деления одна из сестринских клеток сохраняет свойство материнской, а другая вскоре прекращает деление и приступает к начальным этапам дифференциации, в дальнейшем образуя клетки определённой ткани.
Вопрос 1. Что такое жизненный цикл клетки?
Жизненный цикл клетки — это период ее жизни от момента возникновения в процессе деления до гибели или конца последующего деления. Длительность жизненного цикла сильно варьирует и зависит от типа клеток и условий внешней среды: температуры, наличия кислорода и питательных веществ. Жизненный цикл амебы равен 36 часам, а у некоторых бактерий он составляет 20 минут. Для нервных клеток или, например, клеток хрусталика его продолжительность составляет годы и десятилетия.
Вопрос 2. Каким образом в митотическом цикле происходит удвоение ДНК? В чем смысл этого процесса?
Удвоение ДНК происходит во время интерфазы. Сначала две цепи молекулы ДНК расходятся, а потом на каждой из них по принципу комплементарности синтезируется новая полинуклеотидная последовательность. Этот процесс идет под управлением особых ферментов с затратой энергии АТФ. Новые молекулы ДНК являются абсолютно идентичными копиями исходной (материнской). Не происходит никаких изменений генов, что обеспечивает стабильность наследственной информации, предотвращая нарушение функционирования дочерних клеток и всего организма в целом. Удвоение ДНК также обеспечивает постоянство количества хромосом из поколения в поколение.
Вопрос 3. В чем заключается подготовка клетки к митозу?
Подготовка клетки к митозу происходит в интерфазе. Во время интерфазы активно идут процессы биосинтеза, клетка растет, образует органоиды, накапливает энергию, а главное, происходит удвоение (редупликация) ДНК. В результате редупликации образуются две идентичные молекулы ДНК, соединенные в области центромеры. Такие молекулы называют хроматидами. Две парные хроматиды образуют хромосому.
Вопрос 4. Опишите последовательно фазы митоза.
Митоз условно разделяют на четыре фазы.
Профаза. Хромосомы в ядре начинают активно спирализоваться, приобретая компактную форму. В результате считывание информации с ДНК становится невозможным, и синтез РНК прекращается. К концу профазы распадается ядерная оболочка; центриоли, расположившиеся на полюсах клетки, образуют нити веретена деления.
Метафаза. На этом этапе наблюдается максимальная спирализация (уплотнение) хромосом. Они располагаются в экваториальной области клетки. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам.
Анафаза. В хромосомах происходит размыкание центромер и, как следствие, разделение хроматид. Нити веретена деления оттягивают хроматиды (каждая из которых теперь становится отдельной хромосомой) к полюсам клетки.
Телофаза. Хромосомы, оказавшись у полюсов клетки, раскручиваются; вокруг них на обоих полюсах клетки формируются ядерные оболочки. Образуются ядра, содержащие одинаковые диплоидные наборы хромосом. Происходит окончательное разделение клетки на две части.
В результате митоза образуются две дочерние клетки, идентичные исходной материнской клетке.
Вопрос 5. Каково биологическое значение миюза?
Митоз — важнейший биологический процесс, поскольку:
в результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние, ей
идентичные, что обеспечивает поддержание генетической стабильности клеток;
митоз обеспечивает рост организмов;
благодаря митозу осуществляется регенерация и замена отмирающих клеток;
митоз обеспечивает вегетативное размножение у растений и бесполое размножение у одноклеточных эукариот.
Все клетки возникают путем деления ранее существовавших клеток. Различают несколько способов деления клеток.
Амитоз - прямое деление клетки, при котором сохраняется интерфазное состояние ядра. Ядро делится путем перетяжки на две примерно равные части без спирализации хромосом. Амитоз встречается в клетках эпителия, скелетной мускулатуре, а также в других клетках при некоторых заболеваниях (например, в клетках злокачественных опухолей).
Митоз - непрямое деление клеток, при котором происходит точное распределение хромосом, содержащих ДНК, между дочерними клетками.
Мейоз - разновидность митоза - особый способ деления клеток, в результате которого уменьшается число хромосом вдвое, и клетки переходят из диплоидного состояния в гаплоидное.
Клеточный (жизненный) цикл - период существования клетки от момента ее образования в результате деления материнской клетки до собственного деления или смерти.
Митотический цикл - это совокупность процессов, происходящих в клетке в период подготовки клетки к делению и во время деления. В непрерывно размножающихся клетках клеточный цикл совпадает с митотическим.
Митотический цикл включает:
1. интерфазу, состоящую из пресинтетического, синтетического и постсинтетического периодов.
2. само деление (митоз).
Пресинтетический (G 1) период идет сразу за делением. В этот период синтезируются РНК, различные белки, АТФ, увеличивается число органоидов. Клетка растет и выполняет свои функции. Она содержит диплоидный набор деспирализованных хромосом, каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Содержание генетического материала будет 2n2с (n - количество хромосом в гаплоидном наборе, с - содержание ДНК в гаплоидном наборе хромосом).
В синтетический период (S) происходит репликация (удвоение) молекул ДНК под действием фермента ДНК-полимеразы, а также синтез РНК и белков. К концу периода хромосомы из однохроматидных становятся двухроматидными и содержание генетического материала будет 2n4с. В постсинтетический период (G 2) клетка запасается энергией, продолжается синтез РНК и белков (синтезируются белки веретена деления), содержание генетического материала остается прежним –2n4с.
Митотический цикл: А – интерфаза; Б-В – профаза; Г-Д – метафаза;
Е – анафаза; Ж-З – телофаза.
Митоз - непрямое деление клеток. Митозом делятся соматические клетки, в результате чего дочерние клетки получают такой же набор хромосом, какой имела материнская клетка. В митозе выделяют несколько фаз: профазу, метафазу, анафазу, телофазу.
В профазе происходит спирализация хромосом, к концу профазы они становятся видимыми; исчезает ядрышко; растворяется ядерная оболочка, а хромосомы оказываются в цитоплазме; центриоли расходятся к полюсам клетки, формируется веретено деления (2n4с).
В метафазе хромосомы максимально спирализованы и располагаются в плоскости экватора; каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые соединены в области центромеры. К центромерам прикрепляются нити веретена деления. В этой фазе проводят изучение и подсчет хромосом (2n4с).
В анафазе каждая хромосома делится в области центромеры на две хроматиды (дочерние хромосомы). Сокращаясь нити веретена деления растягивают хроматиды к полюсам клетки. Генетический материал в клетке - 4n4с (по 2n2с у каждого полюса).
В телофазе происходят события обратные профазе: хромосомы деспирализуются и становятся невидимыми в световой микроскоп; формируются ядерная оболочка и ядрышко; исчезает веретено деления. В это же время идет деление цитоплазмы (цитокинез): путем перетяжки в животных клетках или путем построения из мембраны перегородки в клетках растений. Органоиды при этом распределяются между клетками относительно равномерно. Содержание генетического материала в каждой образовавшейся клетке - 2n2с, (до цитокинеза - 4n4с).
Профаза 2n4с. Метафаза 2n4с. Анафаза 4n4с. Телофаза 2n2с.
Биологическое значение митоза.
1. В результате митоза дочерние клетки получают такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки, что обеспечивает поддержание постоянного числа хромосом и сохранение
одинакового набора генетического материала во всех клеточных поколениях.
2. Митоз обеспечивает эмбриональное развитие, рост организма, процессы регенерации тканей и органов.
3. У одноклеточных митоз приводит к увеличению числа особей.
Способность клетки к репродукции – одно из фундаментальных свойств живого. Деление клеток лежит в основе эмбриогенеза и регенерации.
Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание жизненного цикла клетки (клеточного цикла). Клеточный цикл - это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.
Важным компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл - комплекс взаимосвязанных и согласованных во времени событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении.
Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от 10 до 50 ч. Величина его значительно варьирует: для бактерий это 20-30 минут, для туфельки 1-2 раза в сутки, для амебы около 1,5 суток. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов. Клетки многоклеточных обладают также разной способностью к делению. В раннем эмбриогенезе они делятся часто, а во взрослом организме большей частью утрачивают эту способность, так как становятся специализированными. Но даже в организме, достигшем полного развития, многие клетки должны делиться, чтобы замещать изношенные клетки, которые постоянно слущиваются и, наконец, нужны новые клетки для заживления ран.
Следовательно, у некоторых популяций клеток деления должны происходить в течение всей жизни. Учитывая это, все клетки можно разделить на три категории:
1. В организме высших позвоночных не все клетки постоянно делятся. Есть специализированные клетки, потерявшие способность к делению (нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, нервные клетки). К моменту рождения ребенка нервные клетки достигают высокоспециализированного состояния, утрачивая способность к делению, В процессе онтогенеза количество их непрерывно уменьшается. Это обстоятельство имеет и одну хорошую сторону; если бы нервные клетки делились, то высшие нервные функции (память, мышление) нарушились бы.
2. Другая категория клеток тоже высокоспециализированная, но в силу их постоянного слущивания замещаются новыми и эту функцию выполняют клетки этой же линии, но еще не специализированные и не утратившие способность делиться. Эти клетки называют обновляющимися. Примером являются постоянно обновляющиеся клетки кишечного эпителия, кроветворные клетки. Даже клетки костной ткани способны образовываться из неспециализированных (это можно наблюдать при репаративной регенерации костных переломов). Популяции неспециализированных клеток, сохраняющие способность к делению называются, как правило, стволовыми.
3. Третья категория клеток - исключение, когда высокоспециализированные клетки при определенных условиях могут вступить в митотический цикл. Речь идет о клетках, отличающихся большой продолжительностью жизни и где после полного завершения роста деление клеток происходит редко. Примером являются гепатоциты. Но если у экспериментального животного удалить 2/3 печени, то менее чем за две недели она восстанавливается до прежних размеров. Такими же являются и клетки желез, вырабатывающих гормоны: в нормальных условиях лишь немногие из них способны воспроизводиться, а при измененных условиях большинство из них могут начать делиться.
По двум главным событиям митотического цикла в нем выделяют репродуктивную и разделительную фазы, соответствующие интерфазе и митозу классической цитологии.
В начальный отрезок интерфазы (у эукариот 8-10 часов ) (постмитотический, пресинтетический, или G 1 -период) восстанавливаются черты организации интерфазной клетки, завершается формирование ядрышка, начавшееся еще в телофазе. Из цитоплазмы в ядро поступает значительное (до 90%) количество белка. В цитоплазме параллельно реорганизации ультраструктуры интенсифицируется синтез белка. Это способствует росту массы клетки. Если дочерней клетке предстоит вступить в следующий митотический цикл, синтезы приобретают направленный характер: образуются химические предшественники ДНК, ферменты, катализирующие реакцию редупликации ДНК, синтезируется белок, начинающий эту реакцию. Таким образом, осуществляются процессы подготовки следующего периода интерфазы - синтетического. Клетки имеют диплоидный набор хромосом 2n и 2c генетического материала ДНК (генетическая формула клетки).
В синтетическом или S-периоде (6-10 ч) удваивается количество наследственного материала клетки. За малыми исключениями редупликация (иногда удвоение ДНК обозначают термином репликация, оставляя термин редупликация для обозначения удвоения хромосом.) ДНК осуществляется полуконсервативным способом. Он заключается в расхождении биспирали ДНК на две цепи с последующим синтезом возле каждой из них комплементарной цепочки. В результате возникают две идентичные биспирали. Молекулы ДНК, комплементарные материнским, образуются отдельными фрагментами по длине хромосомы, причем неодномоментно (асинхронно) в разных участках одной хромосомы, а также в разных хромосомах. Затем участки (единицы репликации - репликоны ) новообразованной ДНК «сшиваются» в одну макромолекулу. В клетке человека содержится более 50 000 репликонов. Длина каждого из них около 30 мкм. Число их меняется в онтогенезе. Смысл редупликации ДНК репликонами становится понятным из следующих сопоставлений. Скорость синтеза ДНК составляет 0,5 мкм/мин. В этом случае редупликация нити ДНК одной хромосомы человека длиной около 7 см должна была бы занять около трех месяцев. Участки хромосом, в которых начинается синтез, называют точками инициации . Возможно, ими являются места прикрепления интерфазных хромосом к внутренней мембране ядерной оболочки. Можно думать, что ДНК отдельных фракций, о которых речь пойдет ниже, редуплицируется в строго определенной фазе S-периода. Так, большая часть генов рРНК удваивает ДНК в начале периода. Редупликация запускается поступающим в ядро из цитоплазмы сигналом, природа которого не выяснена. Синтезу ДНК в репликоне предшествует синтез РНК. В клетке, прошедшей S-период интерфазы, хромосомы содержат удвоенное количество генетического материала. Наряду с ДНК в синтетическом периоде интенсивно образуются РНК и белок, а количество гистонов строго удваивается.
Примерно 1% ДНК животной клетки находится в митохондриях. Незначительная часть митохондриальной ДНК редуплицируется в синтетическом, тогда как основная - в постсинтетическом периоде интерфазы. Вместе с тем известно, что продолжительность жизни митохондрий печеночных клеток, например, составляет 10 сут. Учитывая, что в обычных условиях гепатоциты делятся редко, следует допустить, что редупликация ДНК митохондрий может происходить независимо от стадий митотического цикла. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид (2n) , содержит ДНК 4c.
Отрезок времени от окончания синтетического периода до начала митоза занимает постсинтетический (предмитотический), или G 2 -neриод интерфазы (2n и 4c ) (3-6 ч). Он характеризуется интенсивным синтезом РНК и особенно белка. Завершается удвоение массы цитоплазмы по сравнению с началом интерфазы. Это необходимо для вступления клетки в митоз. Часть образуемых белков (тубулины) используется в дальнейшем для построения микротрубочек веретена деления. Синтетический и постсинтетический периоды связаны с митозом непосредственно. Это позволяет выделить их в особый период интерфазы - препрофазу .
Существуюттри способа деления клетки: митоз, амитоз, мейоз.