Клеточный цикл и его фазы. Жизненный цикл клетки. Урок: Жизненный цикл клетки

Жизненный цикл клетки включает начало ее образования и конец существования в качестве самостоятельной единицы. Начнем с того, что клетка появляется в ходе деления ее материнской клетки, а заканчивает свое существование по причине следующего деления либо гибели.

Жизненный цикл клетки состоит из интерфазы и митоза. Именно в этом рассматриваемый период равнозначен клеточному.

Жизненный цикл клетки: интерфаза

Это период между двумя митотическими клеточными делениями. Воспроизведение хромосом протекает сходно с редупликацией (полуконсервативной репликацией) молекул ДНК. В интерфазе ядро клетки окружено особой двухмембранной оболочкой, а хромосомы раскручены, и при обычном световом микроскопировании незаметны.

При окрашивании и фиксации клеток происходит скопление сильно окрашенного вещества - хроматина. Стоит отметить, что цитоплазма содержит все требуемые органоиды. Это обеспечивает полноценное существование клетки.

В жизненном цикле клетки интерфаза сопровождается тремя периодами. Рассмотрим каждый из них поподробнее.

Периоды жизненного цикла клетки (интерфазы)

Первый из них называется пересинтетическим . Результат предшествующего митоза - рост числа клеток. Здесь протекает транскрипция новоиспеченных молекул РНК (информационной), а также систематизируются молекулы остальных РНК, в ядре и цитоплазме синтезируются белки. Некоторые вещества цитоплазмы постепенно расщепляются с формированием АТФ, ее молекулы наделены макроэргическими связями, они переносят энергию туда, где ее недостаточно. При этом клетка увеличивается, по размерам она достигает материнской. Данный период длится долго у специализированных клеток, на его протяжении они осуществляют свои особые функции.

Второй период известен как синтетический (синтез ДНК). Его блокада может привести к остановке всего цикла. Здесь протекает репликация молекул ДНК, а также синтез белков, которые участвуют в формировании хромосом.

ДНК-молекулы начинают связываться с белковыми, в результате чего хромосомы утолщаются. Одновременно с этим наблюдается репродукция центриолей, в итоге их появляется 2 пары. Новая центриоль во всех парах размещается относительно старой под углом в 90°. Впоследствии каждая пара в период следующего митоза отодвигается к клеточным полюсам.

Синтетический период характеризуется как повышенным ДНК-синтезом, так и резким скачком формирования молекул РНК, а также белков в клетки.

Третий период - постсинтетический . Он характеризуется наличием подготовки клетки к последующему делению (митотическому). Длится данный период, как правило, всегда меньше других. Иногда он вообще выпадает.

Продолжительность генерационного времени

Иначе говоря, это то, сколько длится жизненный цикл клетки. Продолжительность генерационного времени, а также отдельно взятых периодов принимает разные значения у различных клеток. Это можно увидеть из таблицы ниже.

Период				Генерационное время	Тип популяции клетки
пресинтетический период интерфазы	синтетический период интерфазы	постсинтетический период интерфазы	митоз
					кожный эпителий
					двенадцати-перстной кишки
					тонкой кишки
					клетки печени 3-недельного животного

Итак, самый короткий жизненный цикл клетки - у камбиальных. Бывает, что совсем выпадает третий период - постсинтетический. К примеру, у 3-недельной крысы в клетках ее печени он уменьшается до получаса, продолжительность генерационного времени при этом составляет 21,5 ч. Длительность же синтетического периода - самая стабильная.

В остальных ситуациях в первом периоде (пресинтетическом) клетка накапливает свойства для осуществления специфических функций, это связано с тем, что ее строение становится более сложным. В случае если специализация слишком далеко не зашла, она может пройти полный жизненный цикл клетки с образованием 2-х новых в митозе клеток. В этой ситуации первый период может существенно увеличиться. К примеру, в клетках кожного эпителия мыши генерационное время, а именно 585,6 часов, приходится на первый период - пресинтетический, а в клетках периоста детеныша крысы - 102 часа из 114.

Главная часть данного времени именуется G0-периодом - это осуществление интенсивной специфической функции клетки. Многие клетки печени пребывают в таком периоде, ввиду чего они потеряли свою способность к митозу.

В случае если будет удалена часть печени, большинство ее клеток перейдут к полному проживанию сначала синтетического, затем постсинтетического периода, в конце - митотического процесса. Итак, для разного рода клеточных популяций уже доказана обратимость такого G0-периода. В остальных ситуациях степень специализации так сильно увеличивается, что при типичных условиях клетки не могут уже делиться митотически. Изредка в них протекает эндорепродукция. В некоторых она повторяется не один раз, хромосомы утолщаются настолько, что их можно увидеть в обычный световой микроскоп.

Таким образом, мы узнали, что в жизненном цикле клетки интерфаза сопровождается тремя периодами: пресинтетическим, синтетическим и постсинтетическим.

Деление клеток

Оно лежит в основе размножения, регенерации, передачи наследственной информации, развития. Сама по себе клетка существует лишь в промежуточном периоде между делениями.

Жизненный цикл (деление клетки) - период существования рассматриваемой единицы (начинается с момента ее появления посредством деления клетки материнской), в том числе и само деление. Заканчивается собственным делением либо гибелью.

Фазы клеточного цикла

Их всего шесть. Известны следующие фазы жизненного цикла клетки:

Длительность жизненного цикла, а также число фаз в нем у каждой клетки свое. Так, в нервной ткани клетки по завершении начального эмбрионального периода прекращают делиться, затем только функционируют в течение всей жизни самого организма, а впоследствии погибают. А вот клетки зародыша в стадии дробления сначала завершают 1 деление, а затем сразу, минуя остальные фазы, приступают к следующему.

Способы деления клетки

Из всего два:

1. Митоз - это непрямое деление клеток.
2. Мейоз - это характерное для такой фазы, как созревание половых клеток, деление.

Теперь подробнее узнаем, что представляет собой жизненный цикл клетки - митоз.

Непрямое деление клеток

Митоз представляет собой непрямое деление именно соматических клеток. Это непрерывный процесс, результат которого - сначала удвоение, затем одинаковое распределение между дочерними клетками наследственного материала.

Биологическое значение непрямого деления клеток

Оно заключается в следующем:

1. Результат митоза - образование двух клеток, каждая содержит такое же количество хромосом, как и материнская. Их хромосомы образуются посредством точной репликации материнского ДНК, ввиду чего гены дочерних клеток включают идентичную наследственную информацию. Они генетически одинаковые с родительской клеткой. Итак, можно сказать, что митоз обеспечивает идентичность передачи наследственной информации дочерним клеткам от материнской.

2. Итогом митозов является определенное количество клеток в соответствующем организме - это один из важнейших механизмов роста.

3. Большое число животных, растений размножается именно бесполым путем посредством митотического клеточного деления, поэтому митоз составляет основу вегетативного размножения.

4. Именно митоз обеспечивает полную регенерацию потерянных частей, а также замещение клеток, которое протекает в определенной степени у любых многоклеточных организмов.

Таким образом, стало известно, что жизненный цикл соматической клетки состоит из митоза и интерфазы.

Механизм митоза

Деление цитоплазмы и ядра - 2 самостоятельных процесса, которые протекают непрерывно, последовательно. Но в целях удобства изучения происходящих в период деления событий он искусственно разграничивается на 4 стадии: про-, мета-, ана-, телофазу. Их продолжительность различна в зависимости от типа ткани, внешних факторов, физиологического состояния. Самыми продолжительными выступают первая и последняя.

Профаза

Здесь наблюдается заметное увеличение ядра. В итоге спирализации происходит уплотнение, укорачивание хромосом. В более поздней профазе уже хорошо видна структура хромосом: 2 хроматиды, которые соединены центромерой. Начинается передвижение хромосом к экватору клетки.

Из цитоплазменного материала в профазе (поздней) образовывается веретено деления, которое формируется при участии центриолей (в животных клетках, у ряда низших растений) или без них (клетки некоторых простейших, высших растений). Впоследствии от центриолей начинают появляться 2-типовые нити веретена, точнее:

• опорные, которые соединяют клеточные полюса;
• хромосомные (тянущие), которые перекрещиваются в метафазе к хромосомным центромерам.

В завершении данной фазы исчезает ядерная оболочка, а хромосомы располагаются свободно в цитоплазме. Обычно ядро пропадает немного раньше.

Метафаза

Ее начало - исчезновение ядерной оболочки. Хромосомы сперва выстраиваются в экваторной плоскости, образуя метафазную пластинку. При этом хромосомные центромеры строго располагаются в экваторной плоскости. Нити веретена присоединяются к хромосомным центромерам, а некоторые из них проходят от одного полюса к другому, не прикрепляясь.

Анафаза

Ее началом считается деление центромер хромосом. В итоге хроматиды трансформируются в две обособленные дочерние хромосомы. Далее последние начинают расходится к клеточным полюсам. Они, как правило, в это время принимают особую V-образную форму. Такое расхождение осуществляется посредством ускорения нитей веретена. В то же время протекает удлинение опорных нитей, итогом чего становится отдаление полюсов друг от друга.

Телофаза

Здесь хромосомы собираются на клеточных полюсах, затем диспирализуются. Далее происходит разрушение веретена деления. Вокруг хромосом образуется ядерная оболочка дочерних клеток. Так завершается кариокинез, впоследствии осуществляется цитокинез.

Механизмы попадания вируса в клетку

Их всего два:

1. При помощи слияния вирусного суперкапсида и мембраны клетки. В результате этого высвобождается нуклеокапсид в цитоплазму. Впоследствии наблюдается реализация свойств генома вируса.

2. Посредством пиноцитоза (рецепторопосредованного эндоцитоза). Здесь происходит связывание вируса в месте окаймленной ямки с рецепторами (специфическими). Последняя впячивается внутрь клетки, а затем трансформируется в так называемый окаймленный пузырек. Он, в свою очередь, содержит поглощенный вирион, сливается с временным промежуточным пузырьком, который называется эндосомой.

Внутриклеточное размножение вируса

После проникновения в клетку геном вируса целиком подчиняет ее жизнь собственным интересам. Посредством белоксинтезирующей системы клетки и ее систем генераций энергии он воплощает собственное воспроизводство, жертвуя, как правило, жизнью клетки.

На рисунке ниже представлен жизненный цикл вируса в клетке хозяина (леса Семлики - представитель рода Alphvirus). Его геном представлен однонитевой позитивной нефрагментированной РНК. Там вирион оснащен суперкапсидом, который состоит из липидного бислоя. Посредством него проходит порядка 240 копий ряда гликопротеиновых комплексов. Вирусный жизненный цикл начинается с абсорбции его на мембране хозяйской клетки, там он соединяется с рецептором белка. Проникновение в клетку осуществляется посредством пиноцитоза.

Заключение

В статье был рассмотрен жизненный цикл клетки, описаны его фазы. Подробно рассказано о каждом периоде интерфазы.

Период жизни клетки от момента её рождения в результате деления материнской клетки до следующего деления или смерти называется жизненным (клеточным) циклом клетки.

Клеточный цикл способных к размножению клеток включает две стадии: - ИНТЕРФАЗУ (стадия между делениями, интеркинез); - ПЕРИОД ДЕЛЕНИЯ (митоз). В интерфазе происходит подготовка клетки к делению – синтез различных веществ, но главным является удвоение ДНК. По продолжительности она составляет большую часть жизненного цикла. Интерфаза состоит из 3–х периодов: 1) Предсинтетический – G1 (джи один) – наступает сразу после окончания деления. Клетка растет, накапливает различные вещества (богатые энергией), нуклеотиды, аминокислоты, ферменты. Готовится к синтезу ДНК. Хромосома содержит 1 молекулу ДНК (1 хроматида). 2) Синтетический – S происходит удвоение материала – репликация молекул ДНК. Усиленно синтезируется белки и РНК. Происходит удвоение числа центриолей.

3) Постсинтетический G2 – предмитотический, продолжается синтез РНК. Хромосомы содержат 2 свои копии – хроматиды, каждая из которых несет по 1-ой молекуле ДНК (двунитевидная). Клетка готова к делению хромосома сперализуется.

Амитоз – прямое деление

Митоз – непрямое деление

Мейоз – редукционное деление

АМИТОЗ – встречается редко, особенно у стареющих клеток или при патологических состояниях (репарация тканей), ядро остаётся в интефазном состоянии, хромосомы не сперализуются. Ядро делится путем перетяжки. Цитоплазма может и не делится, тогда образуются двуядерные клетки.

МИТОЗ – универсальный способ деления. В жизненном цикле он составляет лишь малую часть. Цикл эпитемальных клеток кишечника кошки составляет 20 – 22 ч., митоз – 1 час. Митоз состоит из 4-х фаз.

1)ПРОФАЗА – происходит укорочение и утолщение хромосом (спирализация) они хорошо видны. Хромосомы состоят из 2-х хроматид (удвоение в периоде интерфазы). Ядрышко и ядерная оболочка распадаются, цитоплазма и кариоплазма смешиваются. Разделившиеся клеточные центры расходятся по длинной оси клетки к полюсам. Образуется веретено деления (состоящее из упругих белковых нитей).

2)МЕТОФАЗА – хромосомы располагаются в одной плоскости по экватору, образуя метафазную пластинку. Веретено деления состоит из 2-х типов нитей: одни соединяют клеточные центры, вторые – (число их = числу хромосом 46) прикреплены, одним концом к центросоме (клеточному центру), другой к центромере хромосомы. Центромера тоже начинает делиться на 2. Хромосомы (в конце) расщепляются в области центромеры.

3)АНАФАЗА – самая короткая фаза митоза. Нити веретена деления начинают укорачиваться и хроматиды каждой хромосомы удаляются друг от друга по направлению к полюсам. Каждая хромосома состоит только из 1 хроматиды.

4)ТЕЛОФАЗА – хромосомы концентрируются у соответствующих клеточных центров, деспирализуются. Формируются ядрышки, ядерная оболочка, образуется мембрана, отделяющая сестринские клетки друг от друга. Сестринские клетки расходятся.

Биологическое значение митоза состоит в том, что в результате его каждая дочерняя клетка получает точно такой же набор хромосом, а следовательно, и точно такую же генетическую информацию, какими обладала материнская клетка.

7. МЕЙОЗ – ДЕЛЕНИЕ, СОЗРЕВАНИЕ ПОЛОВЫХ КЛЕТОК

Сущность полового размножения заключается в слиянии 2-х ядер половых клеток (гамет) сперматозоидов (муж) и яйцеклетки (жен). В процессе развития половые клетки претерпевают митотическое деление, а в период созревания – мейотическое. Поэтому зрелые половые клетки содержат гаплоидный набор хромосом (п): П +П=2П (зигота). Если бы гаметы имели 2п (диплоидн.) то, потомки имели бы тетраплоидное (2п+2п)=4п число хромосом и т.д. Число хромосом у родителей и потомков остаётся постоянным. Уменьшение числа хромосом вдвое происходит путем мейоза, (гаметогенез). Он состоит из 2-х идущих друг за другом делений:

Редукционного

Эквационного (уравнительного)

без интерфазы между ними.

ПРОФАЗА 1 ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ПРОФАЗЫ МИТОЗА.

1.Лептонема (тонкие нити) в ядре диплоидный набор (2п) длинных тонких хромосом 46 шт.

2.Зигонема – гомологические хромосомы (парные) – 23 пары у человека коньюгируют (молния) «подгонка» гена к гену соединяются по всей длине 2п – 23 шт.

3.Пахинема (толстые нити) гомолог. хромосомы тесно связаны (бивалентны). Каждая хромосома состоит из 2-х хроматид, т.е. бивалент – из 4-х хроматид.

4.Диплонема (двойные нити) коньюгирование хромосомы отталкиваются друг от друга. Происходит перекручивание, а иногда обмен обломившимися частями хромосом – перекрест (кроссинговер) – это резко увеличивает наследственную изменчивость, новые комбинации генов.

5.Диакинез (движение вдаль) – заканчивается профаза хромосомы сперализуются, ядерная оболочка, распадается и наступает вторая фаза – метафаза первого деления.

Метафаза 1 – по экватору клетки лежат биваленты (тетрады), веретено деления сформировано (23 пары).

Анафаза 1 – к каждому полюсу расходятся не по 1-ой хроматиде, а по 2 хромосомы. Связь между гомологичными хромосомами ослабляются. Парные хромосомы отходят друг от друга к разным полюсам. Образуется гаплоидный набор.

Телофаза 1 – у полюсов веретена собирается одинарный, гаплоидный набор хромосом, в которых каждый вид хромосом представлен не парой, а 1-ой хромосомой состоящей из 2-х хроматид цитоплазма не всегда делится.

Мейоз 1- деление приводит к образованию клеток, несущих гаплоидный набор хромосом, но хромосомы состоят из 2-х хроматид, т.е. имеют удвоенное количество ДНК. Поэтому клетки уже готовы ко 2-му делению.

Мейоз 2 деление (эквивалентное). Все стадии: профаза 2, метафаза 2, анафаза 2 и телофаза 2. Проходит как митоз, но делятся гаплоидные клетки.

В результате деления материнские двунитчатые хромосомы, расщепляясь, образуют однонитчатые дочерние хромосомы. В каждой клетке (4) будет гаплоидный набор хромосом.

Т.О. в результате 2-х метотических делений происходит:

Увеличивается наследственная изменчивость благодаря различным комбинациям хромосом в дочерних наборах

Число возможных комбинаций пар хромосом = 2 в степени n (число хромосом в гаплоидном наборе 23 – человек).

Основные назначения мейоза заключается, в создание клеток с гаплоидным набором хромосом – осуществляется благодаря образованию в начале 1 мейотического деления пар гомологичных хромосом и последующему расхождению гомологов в разные дочерние клетки. Образование мужских половых клеток – это сперматогенез, женских - овогенез.

В основе размножения и развития организмов, передачи наследственной информации, регенерации лежит деление клеток. Клетка как таковая существует лишь во временном интервале между делениями.

Период существования клетки c момента начала ее образования путем деления материнской клетки (т.е. само деление тоже включается в этот период) до момента собственного деления или смерти называют жизненным или клеточным циклом .

Жизненный цикл клетки разделяют на несколько фаз:

• фаза деления (эта фаза, когда происходит митотическое деление);
• фаза роста (сразу после деления начинается рост клетки, она увеличивается в объеме и достигает каких-то определенных размеров);
• фаза покоя (в этой фазе судьба клетки в дальнейшем пока не определена: клетка может начать подготовку к делению, либо пойти по пути специализации);
• фаза дифференцировки (специализации) (наступает по окончанию фазы роста — в это время клетка получает определенные структурные и функциональные особенности);
• фаза зрелости (период функционирования клетки, выполнения тех или иных функций в зависимости от специализации);
• фазу старения (период ослабления жизненных функций клетки, который заканчивается ее делением либо гибелью).

Продолжительность клеточного цикла и число фаз, входящих в него, у клеток различны. К примеру, клетки нервной ткани после окончания эмбрионального периода прекращают делиться и функционируют на протяжении всей жизни организма, а затем погибают. Другой пример, клетки зародыша. На стадии дробления они, завершив одно деление, сразу же переходят к следующему, минуя, при этом, все остальные фазы.

Существуют следующие способы деления клеток:

1. митоз или кариокинез — непрямое деление;
2. мейоз или редукционное деление — деление, которое характерно для фазы созревания половых клеток или образования спор у высших споровых растений.

Митоз — непрерывный процесс, в результате которого сперва происходит удвоение, а затем равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками. В результате митоза появляются две клетки, каждая из них содержит столько же хромосом, сколько содержалось в материнской клетке. Т.к. хромосомы дочерних клеток происходят от материнских хромосом с помощью точной репликации ДНК, их гены имеют совершенно одинаковую наследственную информацию. Дочерние клетки идентичны родительской клетке генетически.
Таким образом, при митозе происходит точная передача наследственной информации от родительской к дочерним клеткам. Количество клеток в организме в результате митоза увеличивается, что является одним из главных механизмов роста. Следует помнить, что митозом могут делиться клетки с разным хромосомным набором – не только диплоидные (соматические клетки большинства животных), но и гаплоидные (многие водоросли, гаметофиты высших растений), триплоидные (эндосперм покрытосеменных) или полиплоидные.

Существует много видов растений и животных, которые размножаются бесполым путем с помощью лишь одного митотического деления клеток, т.е. митоз лежит в основе бесполого размножения. Благодаря митозу происходит замещение клеток и регенерация утраченных частей тела, которое всегда присутствует в той или иной степени у всех многоклеточных организмов. Митотическое деление клетки протекает под полным генетическим контролем. Митоз является центральным событием митотического цикла клетки.

Митотический цикл — комплекс взаимосвязанных между собой и хронологически детерминированных событий, происходящих на протяжении подготовки клетки к делению и в течение самого деления клетки. У различных организмов длительность митотического цикла может сильно варьироваться. Наиболее короткие митотические циклы встречаются у дробящихся яиц некоторых животных (к примеру, у золотой рыбки первые деления дробления происходят через каждые 20 минут). Самая распространенная длительность митотических циклов — 18-20 часов. Встречаются и циклы продолжительностью несколько суток. Даже в разных органах и тканях одного организма продолжительность митотического цикла может быть различна. Так например, у мышей клетки эпителиальной ткани двенадцатиперстной кишки делятся каждые 11 часов, тощей кишки — каждые 19 часов, а в роговице глаза - каждые 3 суток.

Какие именно факторы побуждают клетку к митозу ученым не известны. Есть предположение, что главную роль здесь играет ядерно-цитоплазматическое соотношение (соотношение объемов ядра и цитоплазмы). Есть также данные, что отмирающие клетки продуцируют вещества, которые могут стимулировать деление клетки.

В митотическом цикле выделяют два основных события: интерфазу и собственно само деление .

Новые клетки образуются в ходе двух последовательных процессов:

1. митоза, приводящего к удвоению ядра;
2. цитокинеза — разделения цитоплазмы, при котором появляются две дочерние клетки, которые содержат по одному дочернему ядру.

На само деление клетки обычно уходит 1-3 часа, следовательно основная часть жизни клетки проходит в интерфазе. Интерфазой называется промежуток времени между двумя клеточными делениями. Продолжительность интерфазы, обычно, составляет до 90% от всего клеточного цикла. Интерфаза состоит из трех периодов: пресинтетического или G 1 , синтетического или S, и постсинтетического или G 2.

Пресинтетический период самый продолжительный период интерфазы, его длительность составляет от 10 часов до нескольких суток. Сразу после деления восстанавливаются черты организации интерфазной клетки: завершается формирование ядрышка, происходит интенсивный синтез белков в цитоплазме, приводящий к тому, что увеличивается массы клеток, образуется запас предшественников ДНК, ферменты, катализирующие реакцию репликации ДНК и т.д. Т.е. в пресинтетический период проходят процессы подготовки к следующему периоду интерфазы — синтетическому.

Продолжительность синтетического периода может различаться: у бактерий — это несколько минут, в клетках млекопитающих может доходить до 6-12 часов. В синтетический период происходит удвоение молекул ДНК — главное событие интерфазы. При этом каждая хромосома становится двухроматидной, а их число не изменяется. Одновременно с репликацией ДНК в цитоплазме происходит интенсивный процесс синтеза белков, входящих в состав хромосом.

Несмотря на то, что период G 2 называют постсинтетическим , процессы синтеза на этом этапе интерфазы продолжаются. Постсинтетическим его называют лишь потому, что начинается он после окончания процесса синтеза (репликации) ДНК. Если в пресинтетический период осуществляется рост и подготовка к синтезу ДНК, то в постсинтетический период обеспечивается подготовка клетки к делению, что также характеризуется интенсивными процессами синтеза. В этот период продолжается процесс синтеза белков, входящих в состав хромосом; синтезируются энергетические вещества и ферменты, которые необходимы для обеспечения процесса деления клетки; начинается спирализация хромосом, синтезируются белки, необходимые для построения митотического аппарата клетки (веретена деления); происходит рост массы цитоплазмы и сильно увеличивается объем ядра. По окончанию постсинтетического периода клетка приступает к делению.

Клеточный цикл (cyclus cellularis) - это период от одного до другого деления клетки или же период от деления клетки до ее гибели. Клеточный цикл разделяется на 4 периода.

Пер­вый период - митотический;

2-й- постмитотический, или пресинтетический, он обозначается буквой G1;

3-й - синте­тический, он обозначается буквой S;

4-й - постсинтетиче­ский, или премитотический, он обозначается буквой G 2 ,

а митотический период - буквой М.

После митоза наступает очередной период G1. В этот период дочерняя клетка по сво­ей массе в 2 раза меньше материнской клетки. В этой клетке в 2 раза меньше белка, ДНК и хромосом, т. е. в норме хромо­сом в ней должно быть 2п и ДНК - 2с.

Что же происходит в периоде G1? В это время на поверх­ности ДНК происходит транскрипция РНК, которые прини­мают участие в синтезе белков. За счет белков увеличивает­ся масса дочерней клетки. В это время синтезируются пред­шественники ДНК и ферменты, участвующие в синтезе ДНК и предшественников ДНК. Основные процессы в пе­риоде G1 - синтез белков и рецепторов клетки. Затем наступает период S. В течение этого периода происходит репликация ДНК хромосом. В результате этого к концу пе­риода S содержание ДНК составляет 4с. Но хромосом будет 2п, хотя фактически их тоже будет 4п, но ДНК хромосом в этот период так взаимно переплетены, что каждая се­стринская хромосома в материнской хромосоме пока не видна. По мере того как в результате синтеза ДНК увеличи­вается их количество и повышается транскрипция рибосомных, информационных и транспортных РНК, естествен­но возрастает и синтез белков. В это время может происхо­дить удвоение центриолей в клетках. Таким образом, клетка из периода S вступает в период G 2 . В начале периода G 2 про­должается активный процесс транскрипции различных РНК и процесс синтеза белков, главным образом белков-тубулинов, которые необходимы для веретена деления. Может про­исходить удвоение центриолей. В митохондриях интенсивно синтезируется АТФ, которая является источником энергии, а энергия необходима для митотического деления клетки. После периода G 2 клетка вступает в митотический период.

Некоторые клетки могут выходить из клеточного цикла. Выход клетки из клеточного цикла обозначается буквой G0. Клетка, вошедшая в этот период, утрачивает способность к митозу. Причем одни клетки утрачивают способность к ми­тозу временно, другие - постоянно.

В том случае, если клетка временно утрачивает способ­ность к митотическому делению, она подвергается началь­ной дифференцировке. При этом дифференцированная клет­ка специализируется для выполнения определенной функ­ции. После начальной дифференцировки эта клетка способ­на возвратиться в клеточный цикл и вступить в период Gj и после прохождения периода S и периода G 2 подвергнуться митотическому делению.

Где в организме находятся клетки в периоде G 0 ? Такие клетки находятся в печени. Но в случае, если печень повреж­дена или часть ее удалена оперативным путем, тогда все клетки, подвергшиеся начальной дифференцировке, возвра­щаются в клеточный цикл, и за счет их деления происходит быстрое восстановление паренхимных клеток печени.

Стволовые клетки также находятся в периоде G 0 , но, ког­да стволовая клетка начинает делиться, она проходит все пе­риоды интерфазы: G1, S, G 2 .

Те клетки, которые окончательно утрачивают способность к митотическому делению, подвергаются сначала начальной дифференцировке и выполняют определенные функции, а затем окончательной дифференцировке. При окончатель­ной дифференцировке клетка не может возвратиться в кле­точный цикл и в конечном итоге погибает. Где в организме находятся такие клетки? Во-первых, это клетки крови. Гранулоциты крови, подвергшиеся дифференцировке, функциони­руют в течение 8 суток, а затем погибают. Эритроциты крови функционируют в течение 120 суток, потом также погибают (в селезенке). Во-вторых, это клетки эпидермиса кожи. Клет­ки эпидермиса подвергаются сначала начальной, потом окончательной дифференцировке, в результате которой они превращаются в роговые чешуйки, которые затем слущиваются с поверхности эпидермиса. В эпидермисе кожи клетки могут находиться в периоде G 0 , периоде G1, периоде G 2 и в периоде S.

Ткани с часто делящимися клетками поражаются сильнее тканей с редко делящимися клетками, потому что ряд хими­ческих и физических факторов разрушают микротубулы ве­ретена деления.

МИТОЗ

Митоз принципиально отличается от прямого деления или амитоза тем, что во время митоза происходит равномерное ра­спределение хромосомного материала между дочерними клет­ками. Митоз делится на 4 фазы. 1-я фаза называется профа­зой, 2-я - метафазой, 3-я - анафазой, 4-я - телофазой.

Если в клетке имеется половинный (гаплоидный) набор хромосом, составляющий 23 хромосомы (половые клетки), то такой набор обозначается символом In хромосом и 1с ДНК, если диплоидный - 2п хромосом и 2с ДНК (соматические клетки сразу после митотического деления), анеуплоидный набор хромосом - в аномальных клетках.

Профаза. Профаза делится на раннюю и позднюю. Во время ранней профазы происходит спирализация хромо­сом, и они становятся видны в виде тонких нитей и образуют плотный клубок, т. е. образуется фигура плотного клубка. При наступлении поздней профазы хромосомы еще больше спирализуются, в результате чего закрываются гены ядрышковых организаторов хромосом. Поэтому прекращаются транскрипция рРНК и образование субъединиц хромосом, и ядрышко исчезает. Одновременно с этим происходит фраг­ментация ядерной оболочки. Фрагменты ядерной оболочки свертываются в небольшие вакуоли. В цитоплазме уменьша­ется количество гранулярной ЭПС. Цистерны гранулярной ЭПС фрагментируются на более мелкие структуры. Количе­ство рибосом на поверхности мембран ЭПС резко уменьша­ется. Это приводит к уменьшению синтеза белков на 75 %. К этому моменту происходит удвоение клеточного центра. Образовавшиеся 2 клеточных центра начинают расходиться к полюсам. Каждый из вновь образовавшихся клеточных центров состоит из 2 центриолей: материнской и дочерней.

С участием клеточных центров начинает формироваться ве­ретено деления, которое состоит из микротубул. Хромосомы продолжают спирализоваться, и в результате образуется рыхлый клубок хромосом, расположенный в цитоплазме. Та­ким образом, поздняя профаза характеризуется рыхлым клубком хромосом.

Метафаза. Во время метафазы становятся видимыми хроматиды материнских хромосом. Материнские хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. Если смотреть на эти хромосомы со стороны экватора клетки, то они воспринима­ются как экваториальная пластинка (lamina equatorialis). В том случае, если смотреть на эту же пластинку со стороны полюса, то она воспринимается как материнская звезда (monastr). Во время метафазы завершается формирование веретена деления. В веретене деления видны 2 разновидно­сти микротубул. Одни микротубулы формируются от клеточ­ного центра, т. е. от центриоли, и называются центриолярными микротубулами (microtubuli cenriolaris). Другие микротубулы начинают формироваться от кинетохор хромо­сом. Что такое кинетохоры? В области первичных перетяжек хромосом имеются так называемые кинетохоры. Эти кинето­хоры обладают способностью индуцировать самосборку ми­кротубул. Вот отсюда и начинаются микротубулы, которые растут в сторону клеточных центров. Таким образом, концы кинетохорных микротубул заходят между концами центрио- лярных микротубул.

Анафаза. Во время анафазы происходит одновременное отделение дочерних хромосом (хроматид), которые начинают двигаться одни к одному, другие к другому полюсу. При этом появляется двойная звезда, т. е. 2 дочерние звезды (diastr). Движение звезд осуществляется благодаря веретену деления и тому, что сами полюса клетки несколько удаляются друг от друга.

Механизм, движения дочерних звезд. Это движение обеспечивается тем, что концы кинетохорных микротубул скользят вдоль концов центриолярных микротубул и тянут хроматиды дочерних звезд в сторону полюсов.

Телофаза. Во время телофазы происходит остановка движения дочерних звезд и начинают формироваться ядра. Хромосомы подвергаются деспирализации, вокруг хромо­сом начинает формироваться ядерная оболочка (нуклеолемма). Поскольку деспирализации подвергаются фибрил­лы ДНК хромосом, постольку начинается транскрипция

РНК на открывшихся генах. Так как происходит деспирализация фибрилл ДНК хромосом, в области ядрышковых орга­низаторов начинают транскрибироваться рРНК в виде тон­ких нитей, т. е. формируется фибриллярный аппарат ядрышка. Затем к фибриллам рРНК транспортируются ри- босомные белки, которые комплексируются с рРНК, в ре­зультате чего формируются субъединицы рибосом, т. е. об­разуется гранулярный компонент ядрышка. Это происхо­дит уже в поздней телофазе. Цитотомия, т. е. образование перетяжки. При образовании перетяжки по экватору проис­ходит впячивание цитолеммы. Механизм впячивания сле­дующий. По экватору располагаются тонофиламенты, со­стоящие из сократительных белков. Вот эти тонофиламен­ты и втягивают цитолемму. Затем происходит отделение цитолеммы одной дочерней клетки от другой такой же до­черней клетки. Так, в результате митоза, формируются но­вые дочерние клетки. Дочерние клетки в 2 раза меньше по массе в сравнении с материнской. В них также меньше ко­личество ДНК - соответствует 2с, и вдвое меньше количе­ство хромосом - соответствует 2п. Так, митотическим деле­нием, заканчивается клеточный цикл.

Биологическое значение митоза заключается в том, что за счет деления происходит рост организма, физиологическая и репаративная регенерация клеток, тканей и органов.

Клеточный цикл

Клеточный цикл состоит из митоза (М-фаза) и интерфазы. В интерфазе последовательно различают фазы G 1 , S и G 2 .

СТАДИИ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

Интерфаза

G 1 следует за телофазой митоза. В эту фазу клетка синтезирует РНК и белки. Продолжительность фазы – от нескольких часов до нескольких дней.

G 2 клетки могут выйти из цикла и находится в фазе G 0 . В фазе G 0 клетки начинают дифференцироваться.

S . В фазу S в клетке продолжается синтез белка, происходит репликация ДНК, разделяются центриоли. В большинстве клеток фаза S длится 8-12 часов.

G 2 . В фазу G 2 продолжается синтез РНК и белка (например, синтез тубулина для микротрубочек митотического веретена). Дочерние центриоли достигают размеров дефинитивных органелл. Эта фаза длится 2-4 часа.

МИТОЗ

В ходе митоза делятся ядро (кариокинез) и цитоплазма (цитокинез). Фазы митоза: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Профаза . Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных центромерой, исчезает ядрышко. Центриоли организуют митотическое веретено. Пара центриолей входит в состав митотического центра, от которого радиально отходят микротрубочки. Сначала митотические центры располагаются вблизи ядерной мембраны, а затем расходятся, и образуется биполярное митотическое веретено. В этом процессе участвуют полюсные микротрубочки, взаимодействующие между собой по мере удлинения.

Центриоль входит в состав центросомы (центросома содержит две центриоли и перицентриольный матрикс) и имеет форму цилиндра диаметром 15- нм и длиной 500 нм; стенка цилиндра состоит из 9 триплетов микротрубочек. В центросоме центриоли расположены под прямым углом друг к другу. В ходе фазы S клеточного цикла центриоли дуплицируются. В митозе пары центриолей, каждая из которых состоит из первоначальной и вновь образованной, расходятся к полюсам клетки и участвуют в образовании митотического веретена.

Прометафаза . Ядерная оболочка распадается на мелкие фрагменты. В области центромер появляются кинетохоры, функционирующие как центры организации кинетохорных микротрубочек. Отхождение кинетохор от каждой хромосомы в обе стороны и их взаимодействие с полюсными микротрубочками митотического веретена – причина перемещения хромосом.

Метафаза . Хромосомы располагаются в области экватора веретена. Образуется метафазная пластинка, в которой каждая хромосома удерживается парой кинетохоров и связанными с ними кинетохорными микротрубочками, направленными к противоположным полюсам митотического веретена.

Анафаза – расхождение дочерних хромосом к полюсам митотического веретена со скоростью 1 мкм/мин.

Телофаза . Хроматиды подходят к полюсам, кинетохорные микротрубочки исчезают, а полюсные продолжают удлиняться. Образуется ядерная оболочка, появляется ядрышко.

Цитокинез – разделение цитоплазмы на две обособляющиеся части. Процесс начинается в поздней анафазе или в телофазе. Плазмолемма втягивается между двумя дочерними ядрами в плоскости, перпендикулярной длинной оси веретена. Борозда деления углубляется, и между дочерними клетками остается мостик – остаточное тельце. Дальнейшее разрушение этой структуры приводит к полному разделению дочерних клеток.

Регуляторы клеточного деления

Пролиферация клеток, происходящая путем митоза, жестко регулируется множеством молекулярных сигналов. Скоординированная деятельность этих многочисленных регуляторов клеточного цикла обеспечивает как переход клеток от фазы к фазе клеточного цикла, так и точное выполнение событий каждой фазы. Главная причина появления пролиферативно неконтролируемых клеток – мутации генов, кодирующих структуру регуляторов клеточного цикла. Регуляторы клеточного цикла и митоза подразделяют на внутриклеточные и межклеточные. Внутриклеточные молекулярные сигналы многочисленны, среди них в первую очередь следует назвать собственно регуляторы клеточного цикла (циклины, циклин-зависимые протеинкиназы, их активаторы и ингибиторы) и онкосупрессоры.

МЕЙОЗ

В ходе мейоза образуются гаплоидные гаметы.

Первое деление мейоза

Первое деление мейоза (профаза I, метафаза I, анафаза I и телофаза I) – редукционное.

Профаза I последовательно проходит несколько стадий (лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез).

Лептотена – хроматин конденсируется, каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой.

Зиготена – гомологичные парные хромосомы сближаются и вступают в физический контакт (синапсис ) в виде синаптонемального комплекса, обеспечивающего конъюгацию хромосом. На этой стадии две лежащие рядом пары хромосом образуют бивалент.

Пахитена – хромосомы утолщаются вследствие спирализации. Отдельные участки конъюгировавших хромосом перекрещиваются друг с другом и образуют хиазмы. Здесь происходит кроссинговер - обмен участками между отцовскими и материнскими гомологичными хромосомами.

Диплотена – разделение конъюгировавших хромосом в каждой паре в результате продольного расщепления синаптонемального комплекса. Хромосомы расщепляются по всей длине комплекса, за исключением хиазм. В составе бивалента четко различимы 4 хроматиды. Такой бивалент называют тетрадой. В хроматидах появляются участки раскручивания, где синтезируется РНК.

Диакинез. Продолжаются процессы укорочения хромосом и расщепления хромосомных пар. Хиазмы перемещаются к концам хромосом (терминализация). Разрушается ядерная мембрана, исчезает ядрышко. Появляется митотическое веретено.

Метафаза I . В метафазе I тетрады образуют метафазную пластинку. В целом отцовские и материнские хромосомы распределяются случайным образом по ту или другую сторону экватора митотического веретена. Подобный характер распределения хромосом лежит в основе второго закона Менделя, что (наряду с кроссинговером) обеспечивает генетические различия между индивидуумами.

Анафаза I отличается от анафазы митоза тем, что при митозе к полюсам расходятся сестринские хроматиды. В эту фазу мейоза к полюсам отходят целостные хромосомы.

Телофаза I не отличается от телофазы митоза. Формируются ядра, имеющие 23 конъюгированные (удвоенные) хромосомы, происходит цитокинез, образуются дочерние клетки.

Второе деление мейоза.

Второе деление мейоза – эквационное – протекает так же, как митоз (профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза), но значительно быстрее. Дочерние клетки получают гаплоидный набор хромосом (22 аутосомы и одну половую хромосому).