Митоз и мейоз
Жизненный цикл клетки (клеточный цикл)
С момента появления клетки и до ее смерти в результате апоптоза (программируемой клеточной гибели) непрерывно продолжается жизненный цикл клетки.
Здесь и в дальнейшем мы будем пользоваться генетической формулой клетки, где «n» — число хромосом, а «c» — число ДНК (хроматид). Напомню, что в состав каждой хромосомы может входить как одна молекула ДНК (одна хроматида) (nc), либо две (n2c).
Клеточный цикл включает в себя несколько этапов: деление (митоз), постмитотический (пресинтетический), синтетический, постсинтетический (премитотический) период. Три последних периода составляют интерфазу — подготовку к делению клетки.
Разберем периоды интерфазы более подробно:
- Пресинтетический (постмитотический) период G1 — 2n2c
Интенсивно образуются рибосомы, синтезируется АТФ и все виды РНК, ферменты, клетка растет.
Синтетический период S — 2n4c
Длится 6-10 часов. Важнейшее событие этого периода — удвоение ДНК, вследствие которого к концу синтетического периода каждая хромосома состоит из двух хроматид. Активно синтезируются структурные белки ДНК — гистоны.
Постсинтетический (премитотический) период G2 — 2n4c
Короткий, длится 2-6 часов. Это время клетка тратит на подготовку к последующему процессу — делению клетки, синтезируются белки и АТФ, удваиваются центриоли, делятся митохондрии и хлоропласты.
Митоз (греч. μίτος — нить)
Митоз является непрямым способом деления клетки, наиболее распространенным среди эукариотических организмов. По продолжительности занимает около 1 часа. К митозу клетка готовится в период интерфазы путем синтеза белков, АТФ и удвоения молекулы ДНК в синтетическом периоде.
Митоз состоит из 4 фаз, которые мы далее детально рассмотрим: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Напомню, что клетка вступает в митоз с уже удвоенным (в синтетическом периоде) количеством ДНК. Мы рассмотрим митоз на примере клетки с набором хромосом и ДНК 2n4c.
- Бесформенный хроматин в ядре начинает собираться в четкие оформленные структуры — хромосомы — происходит это за счет спирализации ДНК (вспомните мой пример ассоциации хромосомы с мотком ниток)
- Оболочка ядра распадается, хромосомы оказываются в цитоплазме клетки
- Центриоли перемещаются к полюсам клетки, образуются центры веретена деления
ДНК максимально спирализована в хромосомы, которые располагаются на экваторе клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой (кинетохором). Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом (если точнее, прикрепляются к кинетохору центромеры).
Самая короткая фаза митоза. Хромосомы, состоящие из двух хроматид, распадаются на отдельные хроматиды. Нити веретена деления тянут хроматиды (синоним — дочерние хромосомы) к полюсам клетки.
В этой фазе хроматиды (дочерние хромосомы) достигают полюсов клетки.
- Начинается процесс деспирализации ДНК, хромосомы исчезают и становятся хроматином (вспомните ассоциацию про раскрученный моток ниток)
- Появляется ядерная оболочка, формируется ядро
- Разрушаются нити веретена деления
В телофазе происходит деление цитоплазмы — цитокинез (цитотомия), в результате которого образуются две дочерние клетки с набором 2n2c. В клетках животных цитокинез осуществляется стягиванием цитоплазмы, в клетках растений — формированием плотной клеточной стенки (которая растет изнутри кнаружи).
Образовавшиеся в телофазе дочерние клетки 2n2c вступают в постмитотический период. Затем в синтетический период, где происходит удвоение ДНК, после чего каждая хромосома состоит из двух хроматид — 2n4c. Клетка с набором 2n4c и попадает в профазу митоза. Так замыкается клеточный цикл.
Биологическое значение митоза очень существенно:
- В результате митоза образуются дочерние клетки — генетические копии (клоны) материнской.
- Митоз является универсальным способом бесполого размножения, регенерации и протекает одинаково у всех эукариот (ядерных организмов).
- Универсальность митоза служит очередным доказательством единства всего органического мира.
Попробуйте самостоятельно вспомнить фазы митоза и описать события, которые в них происходят. Особенное внимание уделите состоянию хромосом, подчеркните сколько в них содержится молекул ДНК (хроматид).
Мейоз
Мейоз (от греч. μείωσις — уменьшение), или редукционное деление клетки — способ деления клетки, при котором наследственный материал в них (число хромосом) уменьшается вдвое. Мейоз происходит в ходе образования половых клеток (гамет) у животных и спор у растений.
В результате мейоза из диплоидных клеток (2n) получаются гаплоидные (n). Мейоз состоит из двух последовательных делений, между которыми практически отсутствует пауза. Удвоение ДНК перед мейозом происходит в синтетическом периоде интерфазы (как и при митозе).
Как уже было сказано, мейоз состоит из двух делений: мейоза I (редукционного) и мейоза II (эквационного). Первое деление называют редукционным (лат. reductio — уменьшение), так как к его окончанию число хромосом уменьшается вдвое. Второе деление — эквационное (лат. aequatio — уравнивание) очень похоже на митоз.
Приступим к изучению первого деления мейоза. За основу возьмем клетку с двумя хромосомами и удвоенным (в синтетическом периоде интерфазы) количеством ДНК — 2n4c.
- Профаза мейоза I
Помимо типичных для профазы процессов (спирализация ДНК в хромосомы, разрушение ядерной оболочки, движение центриолей к полюсам клетки) в профазе мейоза I происходят два важнейших процесса: конъюгация и кроссинговер.
Конъюгация (лат. conjugatio — соединение) — сближение гомологичных хромосом друг с другом. Гомологичными хромосомами называются такие, которые соответствуют друг другу по размерам, форме и строению. В результате конъюгации образуются комплексы, состоящие из двух хромосом — биваленты (лат. bi — двойной и valens — сильный).
После конъюгации становится возможен следующий процесс — кроссинговер (от англ. crossing over — пересечение), в ходе которого происходит обмен участками между гомологичными хромосомами.
Кроссинговер является важнейшим процессом, в ходе которого возникают рекомбинации генов, что создает уникальный материал для эволюции, последующего естественного отбора. Кроссинговер приводит к генетическому разнообразию потомства.
Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент.
Нити веретена деления сокращаются, вследствие чего биваленты распадаются на отдельные хромосомы, которые и притягиваются к полюсам клетки. В результате у каждого полюса формируется гаплоидный набор будущей клетки — n2c, за счет чего мейоз I и называется редукционным делением.
Происходит цитокинез — деление цитоплазмы. Формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Очень короткая интерфаза после мейоза I сменяется новым делением — мейозом II.
Мейоз II весьма напоминает митоз по всем фазам, поэтому если вы что-то подзабыли: поищите в теме про митоз. Главное отличие мейоза II от мейоза I в том, что в анафазе мейоза II к полюсам клетки расходятся не хромосомы, а хроматиды (дочерние хромосомы).
В результате мейоза I и мейоза II мы получили из диплоидной клетки 2n4c гаплоидную клетку — nc. В этом и состоит сущность мейоза — образование гаплоидных (половых) клеток. Вспомнить набор хромосом и ДНК в различных фазах мейоза нам еще предстоит, когда будем изучать гаметогенез, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки — половые клетки (гаметы).
Сейчас мы возьмем клетку, в которой 4 хромосомы. Попытайтесь самостоятельно описать фазы и этапы, через которые она пройдет в ходе мейоза. Проговорите и осмыслите набор хромосом в каждой фазе.
Помните, что до мейоза происходит удвоение ДНК в синтетическом периоде. Из-за этого уже в начале мейоза вы видите их увеличенное число — 2n4c (4 хромосомы, 8 молекул ДНК). Я понимаю, что хочется написать 4n8c, однако это неправильная запись!) Ведь наша исходная клетка диплоидна (2n), а не тетраплоидна (4n) 😉
Итак, самое время обсудить биологическое значение мейоза:
- Поддерживает постоянное число хромосом во всех поколениях, предотвращает удвоение числа хромосом
- Благодаря кроссинговеру возникают новые комбинации генов, обеспечивается генетическое разнообразие состава гамет
- Потомство с новыми признаками — материал для эволюции, который проходит естественный отбор
Бинарное деление надвое
Митоз и мейоз возможен только у эукариот, а как же быть прокариотам — бактериям? Они изобрели несколько другой способ и делятся бинарным делением надвое. Оно встречается не только у бактерий, но и у ряда ядерных организмов: амебы, инфузории, эвглены зеленой.
При благоприятных условиях бактерии делятся каждые 20 минут. В случае, если условия не столь благоприятны, то больше времени уходит на рост и развитие, накопление питательных веществ. Интервалы между делениями становятся длиннее.
Амитоз (от греч. ἀ — частица отрицания и μίτος — нить)
Способ прямого деления клетки, при котором не происходит образования веретена деления и равномерного распределения хромосом. Клетки делятся напрямую путем перетяжки, наследственный материал распределяется «как кому повезет» — случайным образом.
Амитоз встречается в раковых (опухолевых) клетках, воспалительно измененных, в старых клетках.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник
Тема: Жизненный цикл клетки. Митоз
Лекция № 6
План:
1. Понятие жизненного цикла клетки.
2. Периоды интерфазы.
3. Способы деления клеток.
5. Биологическое значение митоза.
- Понятие жизненного цикла клетки.
Период жизни клетки от момента ее рождения до следующего деления или смерти называется жизненным циклом клетки или клеточным циклом.
Многие клетки высших организмов, вступая на путь специализации, утрачивают частично или полностью способность к делению. Например, полностью лишены способности делится высокоспециализированные клетки – нейроны.
Некоторые специализированные клетки не размножаются в обычных условиях, но при повреждении органов или тканей, в состав которых они входят, их способность к делению восстанавливается. К таким клеткам относятся клетки печени, эндокринных желез и др.
Отдельную группу составляют неспециализированные клетки, регулярно делящиеся.
Жизненный цикл клеток, способных к размножению, включает 2 стадии:
- Периоды интерфазы.
Интерфаза – это стадия клеточного цикла между двумя делениями.
В интерфазе происходит подготовка клетки к делению. По продолжительности она составляет большую часть жизненного цикла клетки (около 90%).
Интерфаза делится на 3 периода:
1) предсинтетический – G1
2) синтетический – S
3) постсинтетический – G2
В предсинтетическом периоде клетка растет и готовится к синтезу ДНК. В это время синтезируются РНК, белки, необходимые для редупликации ДНК.
Синтетический период – главный в клеточном цикле. К концу периода количество ДНК удваивается. Здесь также происходит синтез РНК и белка. Удваивается число центриолей.
Постсинтетический период. Здесь синтезируются ДНК и белки, необходимые для деления клетки.
Далее наступает процесс деления клетки. Толчком к началу деления является дисбаланс между массой генетического материала и массой самой клетки. Дисбаланс возникает в результате удвоения ДНК.
- Способы деления клеток.
Существует 3 способа деления клеток:
Амитоз встречается у различных эукариотических клеток, но значительно реже, чем митоз. Его можно наблюдать в стареющих клетках или при различных патологических процессах в них. При амитозе ядро остается в интерфазном состоянии, хромосомы не спирализуются, ядро делится путем перетяжки.
Часто амитоз заканчивается делением ядра без деления цитоплазмы, в результате образуются двуядерные клетки.
Митоз – универсальный способ деления соматических клеток. Он широко распространен в природе. Митоз составляет 10% от жизненного цикла клетки.
Мейоз – способ деления характерный для половых клеток. Количество хромосом в результате мейоза уменьшается вдвое и возникает гаплоидный набор хромосом.
В митозе выделяют 4 основные фазы:
Профаза. Происходит укорочение и утолщение хромосом в следствии их спирализации. Хромосомы двойные, состоят из 2 хроматид, связанных между собой в области центромеры (удвоение произошло в синтетическом периоде интерфазы). Исчезают ядрышки, и разрушается ядерная оболочка. В профазе начинается расхождение центриолей к противоположным полюсам клетки и образование веретена деления. Полюса веретена определяются положением центриолей.
Метафаза. Хромосомы, состоящие из 2 хроматид, выстраиваются в экваториальной плоскости веретена деления. Окончательно формируется веретено деления.
В веретене деления выделяют 2 типа нитей:
– хромосомные нити, связанные с центромерами хромосом
– центросомные нити, соединяющие полюса веретена.
Анафаза – самая короткая фаза митоза. Укорачиваются хромосомные нити веретена деления, и хроматиды каждой хромосомы удаляются друг от друга, двигаясь к противоположным полюсам клетки. Теперь каждая хромосома состоит из одной хроматиды.
Телофаза. Деспирализация хромосом. Образуется ядерная оболочка и ядрышки, разрушается веретено деления. На стадии телофазы происходит разделение цитоплазмы и образование перегородки между дочерними клетками.
До сих пор речь шла о ядре, о делении ядра, о делении генетического материала.
Деление, связанное с событиями, происходящими в ядре, называется кариокинез.
Процесс разделения цитоплазмы называется цитокинез или цитотомия.
В животной клетке цитотомия идет путем перетяжки плазматической мембраны в экваториальной плоскости веретена деления.
У растений деление осуществляется посредством образования клеточной перегородки. Она возникает в экваториальной плоскости веретена деления и растет в стороны, достигая клеточной стенки.
- Биологическое значение митоза.
1) В результате митоза дочерние клетки получают точно такой же набор хромосом, который был у материнской клетки, поэтому во всех клетках тела (соматических) поддерживается постоянное число хромосом.
2) Митозом делятся все клетки, кроме созревающих половых клеток:
– за счет митоза происходит рост организма
– все функционально устаревшие клетки организма заменяются новыми, делясь митотически
– процессы регенерации (восстановление утраченных тканей) происходят при делении клеток митозом.
Источник
