Все способы деления клетки

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

Деление клетки

Что такое деление клетки

Деление клетки – важнейший биологический процесс, без него невозможно существование живых организмов. Доказано, что клетки всех живых организмов сходны по строению и химическому составу. Путем деления исходной клетки увеличивается число вновь образовавшихся клеток. Клетка – это наименьшая единица строения любого живого организма. Из нее состоят ткани и органы.

Клетка растет, развивается, она способна к самостоятельному воспроизведению. Для клетки свойственно протекание таких процессов, как метаболизм, раздражение, саморегуляция.

Клетка существует с момента ее появления в результате деления и до ее окончательной гибели или последующего деления. Это время называется клеточным циклом. На длительность цикла влияет тип клетки и условия внешней среды. Промежуток между делениями клеток называют интерфазой.

Для прокариотов, или простейших организмов, характерно отсутствие ядра. Им присуще бинарное деление клеток, то есть деление клетки пополам с копированием ДНК, находящегося в цитоплазме. ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, это сложная уникальная молекула, хранящая в себе наследственную информацию об организме в виде генетического кода.

Для эукариотических организмов характерно наличие клеток с одним или несколькими ядрами. Ядро – важнейший компонент клетки, состоящий из ядерной оболочки, ядрышка, хроматина и кариоплазмы. Ядрышко синтезирует рибосомы. В нем сосредоточено наибольшее количество белка в клетке.

Особенности деления клеток

Некоторым эукариотическим клеткам свойственно деление посредством амитоза. Амитоз может проходить без образования хромосом и веретена деления, а генетический материал распределяется случайным образом. Этот способ деления присущ клеткам, которые быстро завершают свой жизненный цикл: фолликулярные клетки яичников, эпителиальные клетки кожи, клетки злокачественных новообразований, клетки коры дуба. При этом клетки могут делиться как на равные, так и на неравные части, а ядерная оболочка не распадается.

Эукариотические клетки с образованием хромосом способны делиться только двумя способами: митозом и мейозом. Хромосомами называют совокупность органоидов клеточного ядра, определяющих наследственные свойства клеток и живых организмов.

Все клетки можно разделить на 2 группы в зависимости от хромосомного набора, содержащегося в ядре:

• соматические клетки, из которых состоит тело многоклеточных организмов, они не принимают участие в половом размножении;
• половые клетки (гаметы).

Совокупность хромосом, которые содержатся в ядре, это хромосомный набор. Число хромосом в клетке одинаково для каждого вида живых организмов. Так, у клеток человека этот показатель составляет 46.

Первый способ деления — митоз

Митоз («нить») – наиболее распространенный (непрямой) способ деления клеток по сравнению с мейозом. Его также называют кариокинезом, или непрямым делением. Митоз – способ деления ядер эукариотических клеток, при котором сохраняется постоянным число хромосом.

С помощью митоза делятся соматические клетки многоклеточных животных, кроме половых клеток.

При делении этим способом материнская клетка делится на дочерние клетки, которые не отличаются от нее генетически, то есть наследственной информацией.

Процесс деления клетки с помощью митоза называют митотическим. Клеточный цикл состоит из митотического цикла и периода покоя. Митотический цикл состоит из интерфазы и митотического деления.

The study made the unexpected finding that in certain forms of replication stress, an active checkpoint actually allows cells to divide, causing worse damage than if it were missing entirely, said USC expert Susan Forsberg. (Illustration/iStock)

Интрефаза длится по времени намного дольше по сравнению с митотическим делением. Во время этой стадии происходит рост клетки, синтез белка и органических веществ, а также накопление веществ, необходимых для деления клетки. Интерфаза может длиться от нескольких минут до нескольких дней. Она состоит из 3 фаз:

• пресинтетической, или фазы начального роста;
• синтетической;
• постсинтетической, во время которой клетка готовится к митотическому делению.

В целом процесс митотического деления длится от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от вида живого организма. Правильное протекание митоза возможно без внешнего вредного воздействия, например, излучения рентгена, попадания этилового спирта. Неблагоприятные факторы могут привести к нарушениям в процессе распределения хромосом или даже полной гибели клетки.

Фазы митоза

Хроматин перед началом деления преобразуется в хромосомы в форме нитей. Всего выделяют несколько фаз митоза в зависимости от внешнего вида и состояния хромосомы. Их называют профазой, метафазой, анафазой, телофазой.

1. Во время профазы хромосомы становятся короче и толще, они видны в световой микроскоп. В этой фазе они представляют собой связанные между собой сестринские хроматиды, принимают спиралевидную форму. Хроматиды представляют собой структурные элементы хромосомы, сформированные в ядре в результате удвоения хромосом. Бесформенный хроматин в ядре собирается в четко оформленные хромосомы. В это же время происходит разрыв ядерной оболочки и исчезновение ядрышка. Вследствие этого хромосомы свободно и хаотично располагаются в цитоплазме, а центриоли переходят к полюсам клетки. В заключение профазы сформируется веретено деления. Оно представляет собой микротрубочки.

1. В метафазе деление клеточного веретена завершается. ДНК максимально спирализованы в хромосомы. Они, в свою очередь, состоят из двух хроматид. К микротрубочкам веретена начинают крепиться двойные хромосомы, в результате чего формируется метафазная пластинка. На этой стадии несложно подсчитать хромосомы.

1. В самой короткой стадии анафазы хромосомы распадаются на отдельные хроматиды. В свою очередь, дочерние хромосомы растягиваются к полюсам клетки с помощью микротрубочек. В клетке теперь присутствует два диплоидных хромосомных набора.

1. В стадии телофазы деспирализуются хромосомы. Завершается формирование ядерной оболочки. Заканчивается процесс образования ядрышек в ядрах. Цитоплазма делится, образуя две клетки. На этой стадии рушатся нити клеточного веретена деления. Завершение телофазы совпадает с процессом цитокинеза. Он представляет собой разделение тела материнской клетки на две клетки дочерние.

Второй способ деления клетки — мейоз

Мейоз («уменьшение»), или прямое деление. Он еще носит название редукционного деления. Оно представляет собой деление ядра клетки эукариотического организма, при котором общая численность хромосом сокращается вдвое. Дочерние клетки, получившиеся при этом делении, названы гаметами. Они наследуют половину наследственной информации от родительской клетки, и численность хромосом соответственно снижается в два раза.

Необходимо понимать, в чем заключается различие диплоидной и гаплоидной клеток. Как известно, плоидность – количество одинаковых наборов хромосом, находящихся в ядрах клеток организма. В диплоидной клетке имеется основной набор хромосом – от каждой материнской клетки присутствует один набор. При слиянии клеток хромосомы не накапливаются. После деления диплоидных клеток в ядре новых клеток оказывается уже один набор хромосом. Для гаплоидной клетки характерно содержание всего одного набора хромосом. Она образуется из диплоидной путем митотического деления.

Фазы мейоза

Этот способ состоит из двух следующих друг за другом делений с короткой интерфазой между ними. Это приводит к тому, что из одной диплоидной клетки формируются четыре клетки гаплоидные. Восстановление плоидности происходит в результате оплодотворения.

Непосредственно мейоз состоит из мейоза I и мейоза II. В очень короткой интерфазе между этими стадиями деления происходит удвоение ДНК. Далее происходит образование четырех дочерних клеток. Фазы мейоза I схожи с фазами, протекающими при митозе.

1. Профаза I дольше всех остальных длится по времени, при ней хромосомы спирализуются и утолщаются. Возникает явление конъюгации хромосо. Оно заключается в соединении гемологичных хромосом друг с другом. Такие хромосомы идентичны друг другу по форме, строению и размерам. Структуры, которые образованы двумя соединенными хромосомами – это биваленты. Между хромосомами возникает процесс, названный кроссинговером, то есть обменом, в котором участвуют участки хромосом. Это приводит к возникновению обновленных генетических комбинаций. По окончании этой фазы ядерная оболочка должна разрушиться, а веретено деления – сформироваться.

1. При метафазе I биваленты находятся у клеточного экватора. Нити веретена начинают присоединяться к центромерам гомологичных хромосом.

1. В анафазе I гомологичные хромосомы разъединяются к различным клеточным полюсам. Этому способствует сокращение нитей веретена деления. Распределяются хромосомы хаотичным образом из-за самопроизвольного крепления нитей веретена. У каждого клеточного полюса происходит формирование гаплоидного набора новой клетки.

1. На стадии телофазы I хромосомы проходят процесс деспирализации. Затем появляются две дочерние клетки с двумя гаплоидными ядрами. К окончанию этой фазы количество хромосом уменьшатся вдвое.

Мейоз II, иди эквационное деление, имеет те же самые фазы:

1. Во время профазы II должно восстановиться новое веретено деления, а оболочка ядра должна разрушиться.

1. Во время метафазы II хромосомы начинают присоединяться к нитям веретена деления и продолжают выстраиваться на его экваторе.

1. При анафазе II хроматиды распределяются к полюсам клетки. На каждом полюсе появляется гаплоидный набор хромосом.

1. Во время телофазы II образуется ядерная оболочка вместе с ядрышками, разделяется цитоплазма. Снова деспирализуются хромосомы.

Отличие мейоза от митоза

1. При митозе происходит только однократное деление, а при мейозе – двукратное.
2. Митоз характерен для соматических клеток, а мейоз – для клеток половых.
3. Митоз участвует в таких процессах, как рост и развитие любого живого организма. Мейоз отвечает за образование половых клеток.
4. При делении митозом возникают две клетки диплоидные, а при делении мейозом возникают четыре клетки гаплоидные.
5. В результате деления путем митоза новые клетки будут идентичны и генетически схожи с материнскими. При мейозе благодаря случайному расхождению хромосом и кроссинговеру дочерние клетки на генетическом уровне различны.

Биологическая роль деления клетки

Деление клетки – очень важный и значимый процесс, лежащий в основе роста, развития и размножения организмов. Главной особенностью живых организмов является их способность к росту.

1. Деление клеток способно обеспечивать непрерывность жизни и передачу наследственной информации.
2. Если в системе деления клеток происходит сбой, то организм теряет свою жизнеспособность.
3. Новые клетки появляются посредством деления уже клеток существующих.
4. Из новых клеток формируются новые органы и ткани у растений, животных, человека.

Отдельно стоит отметить биологическое значение процессов митоза и мейоза.

Биологическая роль митоза:

• Одноклеточные организмы размножается бесполым способом благодаря процессу митоза, который лежит в основе бесполого размножения.
• Благодаря процессу митоза осуществляется рост и развитие многоклеточных живых организмов.
• Митоз способствует регенерации утраченных частей тела и возобновлению клеток при старении.
• В процессе митоза наследственный материал равномерно распределяется между клетками.
• Этот процесс сохраняет преемственность в ряде клеточных поколений благодаря точности передачи качественной и количественной наследственной информации дочерним клеткам.

Биологическое значение мейоза:

• Процесс кроссинговера, протекающий при делении клеток мейозом, приводит к генетическому разнообразию потомства, образованию клеток с уникальным набором генов.
• В результате мейоза зарождаются организмы с уникальным набором генов.
• При половом размножении обеспечивается передача генетической информации от организма к организму.
• Вследствие мейоза сохраняется постоянный набор хромосом и количество ДНК для каждого определенного вида.

Источник