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
Особенности процесса размножения: непрямое деление клеток и его фазы
Особенности процесса размножения
Как размножается клетка?
Образование эукариотических клеток связано с процессом удвоения, а после — деления генетического материла ядра (в ходе митоза или мейоза), а также с делением тела клетки или цитокинезом (не относится к клеткам, образующимся в результате слияния).
Жизнь и функционирование сформировавшихся один раз клеток длится до момента их следующего деления или гибели.
Не могут делиться эритроциты, нейроны и мышечные клетки.
Жизнь каждой клетки ограничена. По этой причине для длительного существования в многоклеточном организме должен происходить процесс образования новых клеток со скоростью гибели старых клеток.
Одно из самых важных явлений в организме — деление клеток.
Что такое деление клетки? Как происходит деление клетки?
Согласно клеточной теории, образование новых клеток происходит только из предыдущих. Это образование и называется научным термином «деление клеток»
Одноклеточные организмы зарождаются в результате образования зиготы и слияния гамет. Зигота делится достаточно интенсивно и образует миллиарды новых клеток, которые получают дифференциацию, растут и формируют ткани с органами.
Рост и обновление многих структур в многоклеточных организмах связаны с процессом размножения клеток — пролиферацией. После того как новый организм сформирован, клетки постепенно утрачивают способность размножаться. Периодически они делятся — это связано с необходимостью замещения погибших клеток, а также поддержания целостности тканей, органов и организма в целом.
Основа деления клеток — молекулярно-генетический механизм или репликация молекул ДНК.
Непрямое деление клеток
Определение митоза
В многоклеточном организме клетки возникают как результат деления (размножения) уже существующих клеток.
Митоз или непрямое деление — это непростой процесс деления ядра с последующим образованием двух дочерних ядер.
Чем характеризуется непрямое деление клетки? Приведем его примеры ниже.
В каждом из новых двух ядер содержится идентичный материнскому набор хромосом, между дочерними клетками происходит точное распределение хромосом с ДНК.
Процесс митоза — часть жизненного цикла клетки, основанный на пяти последовательных фазах.
Фазы митоза
Каждая фаза митоза отличается по длительности. Одна может заниматься несколько минут, а другая — сотни часов. Длительность фазы определяется типом клетки, тканями, активностью органов, физиологическим состоянием организма, разнообразными факторами внешней среды вроде влажности, освещения, температуры, химических веществ и др, а также внутренними факторами — гормонами, нейромедиаторами.
Пройдемся кратко по фазам митоза.
Профаза — начальная стадия митоза. В стадии профазы содержимое ядра клетки заметно меняется. Происходит скручивание, уплотнение длинных волокон хроматина, образование ими петель и спиралей. Если посмотреть в световой микроскоп, то они будут иметь вид отдельных хромосом.
Каждая хромосома на этой стадии состоит из двух хроматид — они находятся рядом одна с другой по всей длине. Происходит отдаление пар центриолей в направлении к противоположным концам клетки, в результате чего образуются два полюса деления. Эти структуры будут участвовать в процессе организации микротрубочек веретена деления.
Начало прометафазы можно охарактеризовать внезапной (в течение 20-30 секунд) дезинтеграцией ядерной оболочки на небольшие везикулы — они очень похожи на везикулы эндоплазматической сети. За счет этого микротрубочка веретена деления получает возможность попасть в ядро. Происходит смешение цитоплазмы и кариоплазмы. Далее происходит еще большее уплотнение хромосом и образование на их центромерах кинетохор — они представляют собой специальные белки, от которых отходят микротрубочки.
Группы миктротрубочек веретена деления вступают во взаимодействие с кинетохорными микротрубочками — благодаря этому хромосомы могут двигаться. Особенностью кинетохорных миктротрубочек является то, что они направлены в разные стороны от двух сестринских хроматид. Поэтому они могут тянуть их в разные стороны, задавая, тем самым, движению хромосом определенное направление.
Клетка находится в стадии метафазы, когда хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. Хромосомы, сгруппированные таким способом, называют метафазной пластинкой. В таком положении они находятся благодаря натяжению микротрубочек. Позже присоединенные к кинетохорам микротрубочки начинают растягивать хромосому в разные стороны. Как результат — происходит отделение дочерних хроматид одна от другой. Метафаза обеспечивает хромосомам упорядоченное состояние и четкое строение, поэтому в этой фазе они хорошо видны в световой микроскоп.
На стадии метафазы проводятся исследования на кариотип.
Окончание фазы связано с завершением репликации центромерного участка ДНК и рассоединением хроматид.
Когда наступает анафаза, микротрубочки веретена деления растягивают хроматиды каждой хромосомы одна от другой и перемещают их в противоположные части клетки. Движение хроматид осуществляется с одинаковой скоростью. В дочерних анафазных хромосомах, которые раньше были хроматидами метафазной хромосомы, находится по одной молекуле ДНК.
Эта молекула имеет палочкообразную форму и изгиб около центромеры. Расхождение анафазных хромосом происходит одновременно и достаточно быстро. По завершении анафазы в разных частях поделившейся клетки образуется два полных и равноценных набора хромосом.
Генетическая формула наборов — 2n2c.
На стадии телофазы наборы хромосом располагаются на противоположных концах веретена. Само веретено начинает распадаться. Вокруг каждой группы хромосом происходит слияние везикул и образование новых ядерных оболочек. Осуществляется раскручивание наследственного материала хромосом до состояния хроматина (хроматин свойственен интерфазе). Вновь появляются ядрышки. По завершении всех изменений процесс митоза заканчивается. Образованные ядра вступают в начало следующего клеточного цикла.
Биологическое значение митоза заключается в точном и равномерном распределении генетического наследственного материала между дочерними клетками.
Значение процесса размножения клеток
Размножение или воспроизведение себе подобных — важное свойство всех живых организмов, включая бактерий.
Благодаря этому процессу обеспечивается непрерывное существование во времени всех видов растений и животных, поддерживается их численность и наследственность между поколениями. Возникновение новых клеток возможно только путем деления или размножения уже существующих.
Процесс деления клетки — это то, что определяет рост, индивидуальное развитие и непрерывное самообновление тканей многоклеточных организмов. Поддержание жизни особей многоклеточных организмов обусловлено именно размножением клетки, потому что клетки живут гораздо меньше, чем отдельные особи.
Деление клеток — залог размножения и индивидуального развития организма.
Мы рассмотрели процесс деления клетки кратко.
Источник
