Среди всех интересных и достаточно сложных тем в биологии стоит выделить два процесса деления клеток в организме – мейоз и митоз . Сначала может показаться, что эти процессы одинаковые, поскольку в обоих случаях происходит деление клеток, но на самом деле между ними существует большая разница. В первую очередь, нужно разобраться с митозом. Что этот процесс из себя представляет, что такое интерфаза митоза и какую роль они играют в человеческом организме? Подробнее об этом и пойдет речь в данной статье.
Сложный биологический процесс, который сопровождается делением клеток и распределением хромосом между этими клетками – все это можно сказать о митозе. Благодаря ему, между дочерними клетками организма равномерно распределяются хромосомы, в которых содержится ДНК.
Существует 4 основные фазы процесса митоза. Все они связаны между собой, поскольку фазы плавно переходят из одной на другую. Распространенность митоза в природе обусловлена тем, что именно он участвует в процессе деления всех клеток, среди которых мышечные, нервные и так далее.
Коротко об интерфазе
Перед попаданием в состояние митоза клетка, которая разделяется, переходит в период интерфазы, то есть растет. Длительность интерфазы может занимать более 90% всего времени активности клетки в обычном режиме .
Интерфаза делится на 3 основных периода:
- фаза G1;
- S-фаза;
- фаза G2.
Все они проходят в определенной последовательности. Рассмотрим каждую из этих фаз отдельно.
Интерфаза — основные составляющие (формула)
Фаза G1
Этот период характеризуется подготовкой клетки к делению. Она увеличивается в объемах для дальнейшей фазы синтеза ДНК.
S-фаза
Это следующий этап в процессе интерфазы, при котором происходит деление клеток организма. Как правило, синтез большей части клеток происходит на небольшой промежуток времени. После деления клетки не увеличиваются в размерах, а начинается последняя фаза.
Фаза G2
Финальный этап интерфазы, на протяжении которого клетки продолжают синтезировать белки, увеличиваясь при этом в размерах. В этот период в клетке по-прежнему есть нуклеолы. Также в последней части интерфазы происходит дублирование хромосом, а поверхность ядра в это время покрывается специальной оболочкой, имеющей защитную функцию.
На заметку! По завершению третьей фазы наступает митоз. Он тоже включает в себя несколько стадий, после которых происходит деление клетки (этот процесс в медицине называется цитокинезом).
Стадии митоза
Как уже отмечалось ранее, митоз делится на 4 стадии, но иногда их может быть и больше. Ниже представлены основные из них.
Таблица. Описание основных фаз митоза.
| Название фазы, фото | Описание |
|---|---|
| Во время профазы происходит спирализация хромосом, в результате чего они принимают скрученную форму (она более компактная). Останавливаются все синтетические процессы в клетке организма, поэтому рибосомы уже не вырабатываются. |
| Многие специалисты не выделяют прометафазу как отдельную фазу митоза. Нередко все процессы, которые в ней происходят, относят к профазе. В этот период цитоплазма окутывает хромосомы, которые свободно перемещаются по клетке до определенного момента. |
| Следующая фаза митоза, которая сопровождается распределением на экваториальной плоскости конденсированных хромосом. В этот период происходит обновление микротрубочек на постоянной основе. При метафазе хромосомы расположены так, что их кинетохоры находятся в ином направлении, то есть направлены к противоположным полюсам. |
| Данная фаза митоза сопровождается отделением хроматид каждой из хромосом друг от друга. Нарастание микротрубочек прекращается, они теперь начинают разбираться. Анафаза длится недолго, но за этот промежуток времени клетки успевают разойтись ближе к разным полюсам в примерно равном количестве. |
| Это последняя стадия, на протяжении которой начинается деконденсация хромосом. Эукариотические клетки завершают свое деление, а вокруг каждого набора хромосом человека образовывается специальная оболочка. При сокращении сократительного кольца происходит разделение цитоплазмы (в медицине этот процесс называется цитотомией). |
Важно! Длительность полного процесса митоза, как правило, составляет не больше 1,5-2 часов. Продолжительность может меняться в зависимости от вида разделяемой клетки. Также на длительность процесса влияют и внешние факторы, такие как световой режим, температура и так далее.
Какую биологическую роль играет митоз?
Теперь попробуем разобраться с особенностями митоза и его важностью в биологическом цикле. В первую очередь, он обеспечивает многие процессы жизнедеятельности организма, среди которых – эмбриональное развитие .
Также митоз отвечает за восстановление тканей и внутренних органов организма после различных видов повреждения, в результате чего происходит регенерация. В процессе функционирования клетки постепенно отмирают, но с помощью митоза структурная целостность тканей постоянно поддерживается.
Митоз обеспечивает сохранение определенного количества хромосом (оно соответствует числу хромосом в материнской клетке).
Видео – Особенности и виды митоза
1 ) постмитотический (пресинтетический) – q 1 (G 1) – от 10 часов до нескольких суток. Следует вслед за делением. В молодых дочерних клетках наблюдается высокая интенсивность процессов транскрипции, формирование синтетического аппарата клетки – увеличение количества рибосом, различных видов РНК (рРНК, мРНК, иРНК). Усиление синтеза белка, синтезируются структурные и функциональные белки, интенсивный клеточный метаболизм, контролируемый ферментами, рост клетки, образование и восстановление необходимого числа органоидов
2 ) синтетический – S - 6 – 10 часов; Значительным событием является удвоение (редупликация ДНК), что приводит к удвоению плоидности (содержание ДНК удваивается) диплоидных ядер (хромосомы становятся двухроматидными) и является обязательным условием для последующего митотического деления клеток. Происходит также синтез РНК, гистоновых белков, продолжается рост клетки.
3 ) постсинтетический (премитотический ) q 2 (G 2) – 2 – 5 часов. Продолжается синтез РНК, всех белков, особенно ядерных, а также белка тубулина необходимого для формирования ахроматинового веретена митотического аппарата, образующегося в профазе митоза и мейоза. Происходит накопление питательных веществ, энергии, синтез АТФ. Деление митохондрий, хлоропластов, репликация центриолей и начало образования веретена деления. В конце этого периода клетка переходит к профазе митоза.
Главные события митотического цикла:
1) редупликация самоудвоение наследственного материала (синтетический период)
2) равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками (анафаза митоза – распределение хроматид – дочерних хромосом.)
Соотношение количества днк (с) и хромосом (n) в митотическом цикле:
МИТОЗ: 1) Профаза 2п 4с, 2) Метафаза 2п 4с, 3) Анафаза 4п 4с (однохроматидные дочерние хромосомы), 4) Телофаза 2п 2с (однохроматидные дочерние хромосомы)
ИНТЕРФАЗА : 1) Постмитотический период 2п 2с (однохроматидные дочерние-сестринские хромосомы)
2) Синтетический период 2п 4с, 3) Постсинтетический период 2п 4с (двухроматидных материнские хромосомы)
Обратить внимание, что хроматида содержит одну молекулу ДНК (с).
Образование сестринской
хроматиды
Хромосома интерфазного ядра
Схема митотического цикла
Жизненный цикл клеток (клеточный цикл) – это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти. Обязательным компонентом жизненного цикла, является митотический цикл. Многие клетки выходят из митотического цикла на путь специализации, дифференцируются, выполняют определённые функции и их жизнь заканчивается смертью. Однако некоторые дифференцированные клетки (эпителиальные, соединительно-тканные) при определённых условиях переходят к подготовке к митозу и самому митозу. У таких клеток жизненный цикл продолжительнее митотического. Для разных типов клеток жизненный цикл различен.В некоторых клетках отсутствуют те или иные фазы митотического цикла. Часть клеток выходят из митотического цикла на путь дифференцировки и специализации, их пресинтетический период удлиняется. У нервных клеток этот период продолжается в течение всей жизни организма, и они не делятся, поэтому жизненный цикл таких клеток, например, нервных, не совпадает с митотическим циклом. Клетки, образующие обновляющиеся клеточные популяции постоянно делятся, проходя митоз и интерфазу, имеют клеточный цикл, совпадающий с митотическим циклом это, например эмбриональные клетки, ростовые базального слоя кожи, клетки образовательной ткани растений (кончик корня, стебля, камбий), регенерирующие клетки, клетки семенников.
Длится 1-2 часа. Большая часть компонентов клетки синтезируется на протяжении всей интерфазы, это затрудняет выделение в ней отдельных стадий (Pardee, 1978 ; Yanishevsky, 1981). Однако в интерфазе выделяют фазу G{ l1}l , фазу S и фазу G{ l2}l . Период интерфазы, когда происходит репликация ДНК клеточного ядра, был назван "фаза S " (от слова synthesis).
Период между фазой М и началом фазы S обозначен как фаза G{l1}l (от слова gap - промежуток), а период между концом фазы S и последующей фазой М - как фаза G{ l2}l. Во время G{l1}l-фазы возобновляются интенсивные биосинтетические процессы, резко замедленные во время клеточного деления.
Фаза G{ l2}l нужна для подготовки клеток к митозу (Johnson, 1970; ; Bradbury, 1974 ; Isenberg, 1979) . См. далее Клетка: фаза G{l2}l
Длительность митотического цикла варьирует у разных организмов в широких пределах. Самые короткие клеточные циклы обнаружены у дробящихся яиц некоторых животных. Например, у золотой рыбки первые деления дробления совершаются через 20 мин (подробнее об этом в разделе индивидуальное развитие). Довольно распространены митотические циклы длительностью 18-20 ч. Встречаются циклы, которые продолжаются несколько суток. Время от деления до деления клеток может значительно отличаться в пределах одного и того же организма. Так, при изучении длительности клеточных циклов эпителиальных клеток мыши выяснилось, что в двенадцатиперстной кишке эпителиальные клетки делятся каждые 11 ч, в тощей кишке - примерно через 19 ч, в роговице глаза - через 3 суток, а в кожном эпителии от деления до деления проходит больше 24 суток. Время, которое клетка тратит непосредственно на деление, составляет обычно 1-3 ч (эмбриональные митозы много короче). Таким образом, основную часть жизни клетки находятся в интерфазе. Название этой стадии возникло еще в прошлом веке, когда о деятельности клеток могли судить только по изменениям их морфологии, так как единственным инструментом исследования был световой микроскоп. Поскольку заметные морфологические изменения клеток происходили во время деления, то к ним и было приковано внимание биологов, а период между делениями получил название промежуточного (лат. inter - между) или фазы покоя. Благодаря появлению современных методов изучения клетки - электронной микроскопии , авторадиографии , возможности измерять содержание различных внутриклеточных веществ - удалось установить, что в интерфазе происходят важнейшие события клеточной жизни, в частности удвоение хромосом.
Обычно интерфазу подразделяют на три периода: пресинтетический, синтетический и постсинтетический. Пресинтетический (Gi) период (англ. gap - интервал) следует непосредственно за делением. Как правило, это самый длительный период интерфазы ( рис. 61). В клетках эукариот он продолжается от 10 ч до нескольких суток. Во время него происходит подготовка клетки к удвоению хромосом: синтезируется РНК, образуются различные белки, в частности необходимые для образования предшественников ДНК. При этом увеличивается количество рибосом и поверхность шероховатой эндоплазматической сети, растет число митохондрий. Все это приводит к тому, что клетка интенсивно растет. В синтетическом (S) периоде продолжается синтез РНК и белков и одновременно происходит удвоение хромосом, в основе которого лежит процесс репликации ДНК .
Вновь синтезированная ДНК сразу же соединяется с хромосомными белками . Синтез ДНК продолжается несколько часов, обычно 6-10. По его окончании каждая хромосома оказывается удвоенной - состоящей из двух сестринских хроматид. В генетическом отношении хроматиды полностью идентичны друг другу, так как их ДНК состоит из одной материнской и второй вновь синтезированной цепи. Сестринские хроматиды тесно сближены и соединены в том районе хромосомы, который обеспечивает ее движение при делении клетки. Он называется центромерным районом хромосомы ( рис. 62 , рис. 63).
После полного удвоения хромосом наступает постсинтетический период (G2) . В это время клетка готовится к делению: синтезируются белки микротрубочек , которые во время митоза будут формировать веретено деления, запасается энергия. Продолжительность G2-периода меньше, чем у S- и Gi-периодов, и обычно составляет 3-6 ч.
Интерфаза – это период между двумя клеточными делениями. В интерфазе ядро компактное, не имеет выраженной структуры, хорошо видны ядрышки. Совокупность интерфазных хромосом представляет собой хроматин. В состав хроматина входят: ДНК, белки и РНК в соотношении 1: 1,3: 0,2, а также неорганические ионы. Структура хроматина изменчива и зависит от состояния клетки.
Хромосомы в интерфазе не видны, поэтому их изучение ведется электронно-микроскопическими и биохимическими методами. Интерфаза включает три стадии: пресинтетическую (G1), синтетическую (S) и постсинтетическую (G2). Символ G представляет собой сокращение от англ. gap – интервал; символ S – сокращение от англ. synthesis – синтез. Рассмотрим эти стадии подробнее.
Пресинтетическая стадия (G1). В основе каждой хромосомы лежит одна двуспиральная молекула ДНК. Количество ДНК в клетке на пресинтетической стадии обозначается символом 2с (от англ. content – содержание). Клетка активно растет и нормально функционирует.
Синтетическая стадия (S). Происходит самоудвоение, или репликация ДНК. При этом одни участки хромосом удваиваются раньше, а другие – позже, то есть репликация ДНК протекает асинхронно. Параллельно происходит удвоение центриолей (если они имеются).
Постсинтетическая стадия (G2). Завершается репликация ДНК. В состав каждой хромосомы входит две двойных молекулы ДНК, которые являются точной копией исходной молекулы ДНК. Количество ДНК в клетке на постсинтетической стадии обозначается символом 4с. Синтезируются вещества, необходимые для деления клетки. В конце интерфазы процессы синтеза прекращаются.
Процесс митоза
Профаза – первая фаза митоза. Хромосомы спирализуются и становятся видны в световой микроскоп в виде тонких нитей. Центриоли (если они имеются) расходятся к полюсам клетки. В конце профазы ядрышки исчезают, ядерная оболочка разрушается, и хромосомы выходят в цитоплазму.
В профазе увеличивается объем ядра, и вследствие спирализации хроматина формируются хромосомы. К концу профазы видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Постепенно растворяются ядрышки и ядерная оболочка, и хромосомы оказываются беспорядочно расположенными в цитоплазме клетки. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется ахроматиновое веретено деления, часть нитей которого идет от полюса к полюсу, а часть - прикрепляется к центромерам хромосом. Содержание генетического материала в клетке остается неизменным (2n2хр).
Рис. 1. Схема митоза в клетках корешка лука
Рис. 2. Схема митоза в клетках корешка лука: 1- интерфаза; 2,3 - профаза; 4 - метафаза; 5,6 - анафаза; 7,8 - телофаза; 9 - образование двух клеток
Рис. 3. Митоз в клетках кончика корешка лука: а - интерфаза; б - профаза; в - метафаза; г - анафаза; л, е - ранняя и поздняя телофазы
Метафаза. Начало этой фазы называется прометафаза. В прометафазе хромосомы располагаются в цитоплазме довольно беспорядочно. Формируется митотический аппарат, в состав которого входит веретено деления и центриоли или иные центры организации микротрубочек. При наличии центриолей митотический аппарат называется астральным (у многоклеточных животных), а при их отсутствии – анастральным (у высших растений). Веретено деления (ахроматиновое веретено) – это система тубулиновых микротрубочек в делящейся клетке, обеспечивающая расхождение хромосом. В состав веретена деления входят два типа нитей: полюсные (опорные) и хромосомальные (тянущие).
После формирования митотического аппарата хромосомы начинают перемещаться в экваториальную плоскость клетки; это движение хромосом называется метакинез.
В метафазе хромосомы максимально спирализованы. Центромеры хромосом располагаются в экваториальной плоскости клетки независимо друг от друга. Полюсные нити веретена деления тянутся от полюсов клетки к хромосомам, а хромосомальные – от центромер (кинетохоров) – к полюсам. Совокупность хромосом в экваториальной плоскости клетки образует метафазную пластинку.
Анафаза. Происходит разделение хромосом на хроматиды. С этого момента каждая хроматида становится самостоятельной однохроматидной хромосомой, в основе которой лежит одна молекула ДНК. Однохроматидные хромосомы в составе анафазных групп расходятся к полюсам клетки. При расхождении хромосом хромосомальные микротрубочки укорачиваются, а полюсные – удлиняются. При этом полюсные и хромосомальные нити скользят вдоль друг друга.
Телофаза. Веретено деления разрушается. Хромосомы у полюсов клетки деспирализуются, вокруг них формируются ядерные оболочки. В клетке образуются два ядра, генетически идентичные исходному ядру. Содержание ДНК в дочерних ядрах становится равным 2c.
Цитокинез. В цитокинезе происходит разделение цитоплазмы и формирование мембран дочерних клеток. У животных цитокинез происходит путем перешнуровывания клетки. У растений цитокинез происходит иначе: в экваториальной плоскости образуются пузырьки, которые сливаются с образованием двух параллельных мембран.
На этом митоз завершается, и наступает очередная интерфаза.
Все новые клетки возникают в результате деления уже существующих клеток. Если путем деления клетки пополам размножается одноклеточный организм, то в конечном итоге из одного старого организма образуется два новых. Многоклеточные организмы начинают свое развитие тоже с одной клетки; все их многочисленные клетки образуются затем путем многократных клеточных делений. Эти деления продолжаются в течение всей жизни многоклеточных организмов, по мере их развития и роста. Они связаны с процессами регенерации или замещения отслуживших клеток новыми. Так, клетки верхнего слоя кожи отмирают и слущиваются, а на смену им приходят другие, новые клетки, которые образовались путем деления клеток, лежащих в более глубоких слоях эпителия кожи. Вновь образовавшиеся клетки (если они не отмирают в конце своего существования) обычно становятся способными к делению лишь после периода их роста и развития. Активное функционирование клетки между двумя ее делениями называетсяинтерфазой. Продолжительность интерфазы клеток у разных организмов бывает различной. В клетках растений и животных, например, она в среднем продолжается 10-20 часов, затем наступает вновь процесс деления клеток. Таким образом,жизненный цикл клетки состоит из ее деления и интерфазы.
Винтерфазе клетка как бы готовится к очередному своему делению. Во-первых, в клетке увеличивается число ее органелл; в противном случае в дочерние клетки попадало бы все меньшее и меньшее их количество. Некоторые органеллы, например, хлоропласты и митохондрии сами воспроизводятся путем деления. Клетке достаточно иметь хотя бы одну такую органеллу, чтобы затем образовать их столько, сколько ей требуется. Каждой клетке необходимо также иметь вначале какое-то количество рибосом, чтобы использовать их для синтеза белков, из которых затем можно построить новые рибосомы, эндоплазматический ретикулум и многие другие органеллы. В период интерфазы клетка интенсивно накапливает энергию, созидая молекулы АТФ. Перед началом деления клетка удваивает число своих хромосом с тем, чтобы после деления дочерние клетки получили наследственную информацию, идентичную той, которой обладала материнская клетка. В противном случае, дочерние клетки оказались бы не в состоянии синтезировать все те белки, которые им необходимы для сохранения своей видовой принадлежности. В животных клетках в период интерфазы происходит еще и удвоение центриоли клеточного центра, который за счет этого восстанавливает свое строение, для того чтобы быть готовым к участию в очередном делении клетки.
Итак, в интерфазе клетка растет и развивается, при этом в ней происходят следующие процессы:
Репликация ДНК;
Активный синтез белков;
Увеличение количества некоторых органелл;
Накопление энергии в виде АТФ;
Удвоение клеточного центра (в животных клетках).
После интерфазы наступает второй этап жизненного цикла клетки, который называется делением. Сигналом к началу деления для клетки является нарушение в процессе ее роста ядерно-плазматического соотношения, когда объем цитоплазмы увеличивается, а объем ядра остается прежним.
Процесс деления соматических клеток, в результате которого дочерние клетки полностью сохраняют наследственную информацию материнских клеток, называетсямитозом . Таинственный танец, исполняемый хромосомами при их разделении во время митоза на два идентичных набора, впервые наблюдался исследователями более ста лет назад, однако и до сих пор многое в этой фантастически точной хореографии хромосомных движений еще остается неясным. Митоз представляет собой непрерывную цепь событий, но для того чтобы удобнее было в них разобраться, биологи условно разделили этот процесс на четыре стадии в зависимости от того, как выглядят в это время хромосомы в световом микроскопе. Первая фаза митоза -профаза. Это самая продолжительная стадия митоза. Она характеризуется тем, что в ней:
Происходит суперспирализация ДНК, вследствие чего хроматиды укорачиваются и утолщаются, хромосомы становятся видимыми под микроскопом;
Ядрышки исчезают, так как прекращается синтез р-РНК;
Ядерная оболочка распадается на фрагменты, и хромосомы оказываются в цитоплазме;
Начинает формироваться веретено деления: в животных клетках центриоли, которые были расположены в области клеточного центра, направляются к противоположным полюсам клетки, между ними начинают появляться нити веретена деления. В клетках высших растений веретено деления формируется без участия центриолей. Нити веретена присоединяются к центромерам хромосом, которые начинают двигаться к центральной части клетки.
Следующая фаза митоза -метафаза. В ней:
Заканчивает формироваться веретено деления (совокупность микротрубочек, состоящих из белка турбулина);
Хромосомы выстраиваются в центральной части клетки в одной плоскости таким образом, что их центромеры располагаются на равных расстояниях от полюсов клетки;
В конце метафазы хроматиды отделяются одна от другой.
Анафаза - самая короткая фаза митоза. Она характеризуется тем, что:
Нити веретена деления укорачиваются и растягивают отделившиеся друг от друга в конце метафазы хроматиды к противоположным полюсам клетки, в силу чего они становятся хромосомами;
К концу анафазы у каждого полюса клетки оказывается диплоидный набор хромосом.
Телофаза - последняя фаза митоза. В ней происходят следующие процессы:
Деспирализация молекул ДНК, вследствие чего хромосомы превращаются в хроматин;
Вокруг скоплений хроматина, образовавшихся у противоположных полюсов клетки, образуются ядерные оболочки;
В образовавшихся таким образом дочерних ядрах формируются ядрышки;
На протяжении телофазы, начиная от полюсов клетки и до ее экватора, постепенно разрушается веретено деления;
В конце телофазы делится цитоплазма материнской клетки, что приводит к образованию двух дочерних клеток.
Биологическое значение митоза заключается в точной передачи наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Лабораторная работа № 6
