Клеточный цикл, его периоды

Какие процессы происходят в клетке между ее образованием и делением на две дочерние клетки?

Совершенствование цитологических методов и создание микроскопов с высокой разрешающей возможностью позволили ученым в 80-е годы XIX в. выявить важную роль ядра и хромосом, обеспечивающих преемственность последовательных поколений клеток.

Периоды клеточного цикла. Молодые клетки, образовавшиеся в результате деления, не могут немедленно приступить к новому клеточному делению. В них предварительно должны произойти важные для самой клетки процессы: увеличение объема, рост, формирование органоидов. Последовательность событий, происходящих от деления клетки до ее последующего деления или гибели, называют клеточным циклом или жизненным циклом клетки.

Клеточный цикл состоит из интерфазы и митоза.

Интерфаза. Это период интенсивного роста клетки и образования органоидов. Сразу после образования дочерней клетки в ней синтезируются РНК и белки, которые необходимы для формирования клеточных структур. В это время накапливаются молекулы АТФ, образуются митохондрии, хлоропласты, ЭПС, комплекс Гольджи, становится более интенсивным обмен веществ. Перед делением клетки происходят синтез и репликация (самоудвоение) ДНК. В результате репликации содержание ДНК в клетке удваивается. Каждая соматическая клетка имеет диплоидный (2n) набор хромосом, а каждая из гомологичных (парных) хромосом в результате репликации ДНК состоит из двух хроматид (рис. 17). Таким образом, в клетке, приступающей к делению, каждая хромосома состоит из двух хроматид, абсолютно идентичных друг другу.

Схема строения хромосом после репликации ДНК
Рис. 17. Схема строения хромосом после репликации ДНК

Затем клетка приступает к делению, которое завершается образованием дочерних клеток.

Митоз. Митоз, непрямое деление, способ деления эукариотических клеток, при котором каждая из двух дочерних клеток получает генетический материал, идентичный материнской клетке. Часто митозом называют только деление ядра клетки. Такой способ деления клеток у растений впервые открыл в 1874 г. русский ботаник И. Д. Чистяков, а способ деления клеток животных описал в 1878 г. русский гистолог П. И. Перемежко.

Митоз включает четыре последовательные фазы: профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Эти фазы связаны между собой незаметными переходами, каждая предыдущая фаза обусловливает переход к последующей.

Профаза. В профазе хромосомы приобретают вид клубка из тонких, слабо спирализованных нитей. В самом начале профазы центриоль клеточного центра делится на две, которые расходятся к полюсам ядра (рис. 18).

Деление клетки - митоз
Рис. 18. Деление клетки - митоз

Одновременно с этим хромосомы продолжают спирализоваться, после чего они становятся намного короче и толще. Затем исчезают ядрышки, под действием ферментов лизосом растворяется ядерная оболочка, и хромосомы оказываются погруженными в цитоплазму.

К концу профазы в животных клетках вокруг центриолей образуется лучистая фигура (в клетках высших растений центриоли отсутствуют). Одновременно возникают ахроматиновые нити, построенные из белка и тянущиеся от центриолей (если центриолей нет, то нити тянутся от полюсов клетки).

Затем погруженные в цитоплазму хромосомы беспорядочно движутся к экватору клетки.

Метафаза. Ахроматиновые нити прикрепляются к центромерам хромосом, образуется характерная фигура, напоминающая веретено (оно так и называется – веретено деления). Электронный микроскоп позволяет установить, что ахроматиновые нити веретена представлены микротрубочками. В метафазе двухроматидные хромосомы выстраиваются в области экватора. Равномерное расположение хромосом создает у наблюдателя впечатление, что они расположены на плоскости в виде так называемой «метафазной пластинки».

В этой фазе видны все хромосомы, именно поэтому подсчет количества хромосом, изучение их формы, т. е. исследование кариотипа, проводят в метафазе.

Анафаза. В анафазе происходит разделение дочерних хроматид в области центромеры, затем они расходятся к противоположным полюсам клетки. После этого хроматиды становятся самостоятельными сестринскими однохроматидными хромосомами. Оттягивание хромосом к полюсам вследствие сокращения нитей веретена деления происходит быстро и одновременно.

Телофаза. Во время телофазы однохроматидные хромосомы прекращают движение, деспирализуются (раскручиваются), формируется ядрышко, вокруг разошедшихся хромосом вновь образуются ядерные оболочки (см. рис. 18). Микротрубочки веретена деления разрушаются, а центриоли удваиваются – реплицируются.
Продолжительность каждой из фаз митоза может быть различной – от нескольких минут до сотен часов. Это зависит от ряда причин: типа ткани, физиологического состояния организма, влияния экологических факторов (температура, химические вещества, свет и др.).

После телофазы происходит деление цитоплазмы – цитокинез. В клетках животных деление цитоплазмы осуществляется благодаря перетяжке, которая как поясок сжимает содержимое клетки от периферии к центру.

В растительных клетках цитокинез происходит вследствие образования срединной пластинки (мембранного происхождения), разрастающейся от центра к периферии.

Биологическое значение митоза заключается в точной передаче наследственной информации и обеспечении генетической стабильности организмов, так как все клетки тела многоклеточных организмов образуются путем митоза из зиготы (оплодотворенного яйца).

В результате митоза увеличивается число клеток организма, что обеспечивает его рост. Посредством митоза бесполым путем размножаются некоторые виды одноклеточных организмов (размножение делением клеток). Деление клеток митозом лежит в основе вегетативного размножения.

Благодаря митозу обеспечивается регенерация (восстановление) утраченных тканей и органов, а также замещение клеток, происходящее у многоклеточных организмов. Например, в организме человека за один день замещается 1011 клеток, это в основном клетки кожи, эпителия кишечника, клетки крови.

Вопросы и задания

  1. Что представляет собой клеточный цикл?
  2. Какие процессы происходят в клетке во время интерфазы?
  3. Что такое митоз? Какие фазы составляют митоз?
  4. Какие процессы происходят во время профазы?
  5. Вследствие чего осуществляется расхождение хромосом к полюсам клетки? Какие хромосомы расходятся к полюсам клетки во время анафазы митоза?
  6. Сравните цитокинез в растительной и животной клетках.
  7. Каково биологическое значение митоза?