Особенности клеточного цикла и митоза

К теме «Клеточный цикл. Митоз»

Деление клеток — одно из наиболее важных свойств живых организмов, имеющих клеточное строение. Именно благодаря делению происходит рост и развитие многоклеточных организмов, регенерация (восстановление клеток, тканей и даже органов, утраченных в процессе жизнедеятельности) и репродукция. Различают непрямое деление (митоз), прямое деление (амитоз) и эндорепродукцию.

Когда речь идёт об одной клетке, то её жизнь выглядит следующим образом: образование молодой клетки в результате деления материнской клетки, рост, развитие и вновь деление. Дочерние клетки растут и развиваются до следующего деления. Такой процесс напоминает путь по кругу, или цикл, повторяющийся до гибели клетки. Разные клетки имеют различную способность к делению. Есть такие, которые делятся постоянно (клетки базального слоя эпидермиса, кроветворные клетки красного костного мозга); а некоторые клетки в процессе эволюции утратили способность к делению (зернистые лейкоциты крови, остеоциты костной ткани и т. п.). Их жизнь длится от деления до гибели. Таким образом, клеточный цикл — это период жизни клетки от одного деления до следующего деления или гибели.

Продолжительность клеточного цикла у разных организмов неодинакова: у бактерий при оптимальных условиях она составляет всего 20—30 минут, у клеток эукариотов — 10—80 часов и более (например, инфузория-туфелька делится каждые 10—20 часов).

В клеточном цикле можно выделить два основных этапа:

Митоз (собственно деление клетки) и Интерфазу (период между делениями).

Интерфаза (от лат. интер — между и греч. фазис — появление) — промежуток жизни клетки между двумя последовательными делениями или от завершения последнего деления до гибели клетки. В интерфазе клетка растёт, синтезирует органические соединения и запасает энергию в виде макроэргических соединений и готовится к делению. Интерфаза длится дольше, чем митоз, и занимает до 90 % времени всего клеточного цикла.

В интерфазе различают три последовательных периода: пресинтетический, синтетический и постсинтетический.

В пресинтетическом периоде происходит активное накопление РНК, белков и рост клетки.

На синтетическом этапе интенсивно протекают процессы биосинтеза. В это время происходит самое главное событие интерфазы — удваиваются молекулы ДНК (происходит репликация), удваиваются центриоли, также синтезируются белки, делятся митохондрии и пластиды и т. п.

Во время репликации двойная спираль ДНК под влиянием специального фермента постепенно расплетается на две одинарные, и к каждой из них по принципу комплементарности сразу же присоединяются свободные нуклеотиды.

Репликация молекул ДНК обеспечивает удвоение генетического материала, то есть после репликации каждая из гомологических хромосом состоит из двух хроматид, двух идентичных молекул ДНК. В дальнейшем одна попадает в одну дочернюю клетку, а другая — в другую. Поэтому две дочерние клетки, возникающие в результате деления, получают весь объём биохимической и генетической информации, которая содержалась в ядерной ДНК материнской клетки.

Постсинтетическийпериод характеризуется синтезом иРНК и рРНК, а также тубулинов — белков митотического веретена. В конце постсинтетического периода синтез РНК резко снижается и прекращается. Интерфаза заканчивается, наступает процесс деления клетки — митоз.

Для каждого типа клеток существует определенное ядерно-плазматическое соотношение (соотношение объёма ядра и цитоплазмы). Вследствие роста клетки объём цитоплазмы увеличивается быстрее объёма ядра, ядерно-плазматическое соотношение нарушается, что приводит к делению клетки.

Митоз и его фазы

Митоз (от греч. mitos — нитка), кариокинез, непрямое деление, — это основной способ деления эукариотических клеток, при котором из одной материнской клетки образуются две дочерние, которые являются генетическими копиями материнской клетки. Митоз — процесс непрерывный, но для удобства изучения, в зависимости от того, как выглядят в это время хромосомы в световом микроскопе, биологи условно выделяют несколько этапов, последовательно сменяющих друг друга: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Фазы митоза

Профаза. Клетка прекращает выполнять специфические функции в организме. Животная клетка может изменять форму и отделяться. В профазе изменения происходят как в цитоплазме, так и в ядре клетки. Важнейшие признаки профазы — конденсация хромосом, распад ядрышек и начало формирования веретена деления.

В результате разрушения цитоскелета высвобождаются молекулы тубулина, из которых формируется ядро деления (ахроматиновое, или митотическое, веретено). Центриоли начинают расходиться к полюсам клетки. Каждая пара центриолей становится частью митотического центра, от которого лучами расходятся микротрубочки, образуя «звезду». Так начинает образовываться веретено деления.

Ядерная оболочка под действием ферментов лизосом распадается на мелкие фрагменты, ядрышки постепенно уменьшаются и исчезают. Хромосомы в зоне бывшего ядра спирализуются. Сначала они располагаются хаотичным клубком, хотя уже видно, что каждая состоит из двух спиралевидных нитей — хроматид, прилегающих друг к другу по всей длине, но соединённых между собой только на участке первичной перетяжки (центромеры). Затем они становятся короче и толще, через некоторое время их уже хорошо видно в световой микроскоп, и можно сосчитать их количество, рассмотреть форму.

С каждой стороны центромеры у хромосом образуются специальные белковые структуры кинетохоры, от которых тянутся кинетохорные нити к полюсам.

Завершается образование веретена деления. Заострёнными концами веретено направлено к полюсам клетки, а расширенная его часть размещается в центре клетки. Короткие ахроматиновые нити прикреплены одним концом к центромере, а другим к центриолям; длинные связывают оба полюса веретена. По своему химическому составу это белки, способные к сокращению. Под действием противоположно направленных сил хромосома движется к экваториальной области.

Схема строения клетки в период профазы: а — ранняя профаза; б — профаза; 1 — хромосомы; 2 — ядрышко; 3 — нити веретена деления; 4 — центриоли клеточного центра; 5 — ядро; 6 — ядерная оболочка	Клетки в период профазы (электронная фотография)

Метафаза. Эта стадия клеточного цикла длится достаточно долго. Все хромосомы перестают двигаться и располагаются таким образом, что их центромеры лежат в одной плоскости, образуя так называемую «метафазную пластинку» или «материнскую звезду», перпендикулярную нитям ахроматиновой фигуры. Она держится благодаря веретену деления.

Каждая хромосома удерживается благодаря паре кинетохоров и нитей, идущих к противоположным полюсам. Хромосомы в это время имеют наименьшие размеры, под микроскопом хорошо видно, что они состоят из двух соединённых в первичной перетяжке хроматид. Структура каждой хромосомы видна особенно отчётливо.

В клетках организма человека самые крупные хромосомы в этот период имеют размеры около 10мкм, а самые мелкие — около 2 мкм. Определение количества и изучение структуры хромосом обычно производят на этой стадии.

Все соматические клетки определённого организма имеют определённое количество хромосом. У всех организмов одного вида количество хромосом в клетках одинаково: у домашней мухи — 12, у дрозофилы — 8, у кукурузы — 20, у клубники — 56, у рака речного — 116, у человека — 46, у шимпанзе, таракана и перца — 48. Количество хромосом не зависит от организации вида и не обязательно указывает на родственность. Но совокупность признаков хромосомного набора (кариотип) — форма, размеры и количество хромосом — присуща только определённому виду растений или животных.

Изучение деталей строения хромосом метафазной пластинки имеет очень большое значение для диагностики заболеваний человека, обусловленных нарушением строения хромосом.

В конце метафазы завершается процесс отделения сестринских хроматид друг от друга. Центромера является последним местом, где сохраняется контакт между хроматидами. После деления центромеры каждая хроматида станет самостоятельной дочерней хромосомой. Метафаза резко заканчивается разделением двух кинетохоров каждой хромосомы.

Схема строения клетки в период метафазы: 1 — метафазная пластинка (материнская звезда); 2 — центриоли клеточного центра; 3 — хромосомы; 4 — нити веретена деления	Клетки в период метафазы (электронная фотография)
	Строение метафазной хромосомы: 1 — две хроматиды одной хромосомы; 2 — кинетохоры; 3 — центромера

Анафаза. Это самая короткая фаза, длящаяся несколько минут. Вязкость цитоплазмы снижается, парные хроматиды почти одновременно разделяются и начинают сравнительно быстро перемещаться к противоположным полюсам клетки. Каждая хроматида при этом становится самостоятельной хромосомой (дочерней хромосомой). Расходящиеся хромосомы имеют форму согнутых под острым углом нитей, причём место сгиба располагается на участке центромеры и направлено к полюсу клетки, а концы хромосом — к её центру. Нити ахроматинового веретена при этом сокращаются. Количество хромосом, двигающихся к противоположным полюсам, и их структура одинаковы. Движение всех хромосом в анафазе начинается одновременно вследствие сокращения нитей ахроматиновой фигуры. В конце анафазы начинается их постепенная деспирализация.

Схема строения клетки в период анафазы: 1 — нити веретена деления; 2 — центриоли клеточного центра; 3 — хромосомы	Клетки в период анафазы (электронная фотография)

Телофаза. В этой заключительной фазе клеточного цикла завершаются процессы образования двух дочерних клеток из материнской. Телофаза начинается после того, как дочерние хромосомы, состоящие из одной хроматиды, достигнут разных полюсов клетки и прекратят движение. После этого они деспирализуются, вследствие чего образуются клубки переплетённых между собой длинных нитей, что характерно для ядра в период между делениями. Вокруг каждого из клубков возникает ядерная оболочка, появляются ядрышки. Таким образом формируются дочерние ядра и приобретают строение, характерное для клетки до деления.

Схема строения клетки в период телофазы: 1 — ядро; 2 — борозда деления; 3 — центриоли клеточного центра; 4 — ядерная оболочка; 5 — ядрышко; 6 — хромосомы	Клетки в период телофазы (электронная фотография)

Нити веретена деления исчезают. Клетка делится на две части (цитокинез) путём перешнуровывания в экваториальной зоне клетки (у животных) или путём образования перегородки из мембран эндоплазматической сетки (у растений). Органеллы клетки при этом (митохондрии, комплекс Гольджи, рибосомы и т.п.) распределяются между дочерними клетками.

Процесс деления цитоплазмы называется цитокинезом и начинается в конце анафазы и продолжается в телофазе. Происходит это следующим образом. Мембрана в средней части клетки (между двумя дочерними ядрами) начинает втягиваться внутрь в плоскости метафазной пластинки, образуется борозда деления, расположенная симметрично, что обеспечивает достаточно равномерное распределение цитоплазмы и органоидов. Она постепенно углубляется, пока не образуется тонкий мостик, существующий еще некоторое время до полного своего исчезновения; после чего образуются две автономные молодые клетки. По окончании митоза обе дочерние клетки переходят в сравнительно долгий период интерфазы.

Особенности клеточного цикла и митоза

Продолжительность стадий митоза различна и зависит от типа ткани, физиологического состояния организма, внешних факторов, температуры.

В связи с тем, что после деления клеток материнская клетка как бы «исчезает» и образуются две новые дочерние клетки, может показаться, что клетки, способные к митозу — «бессмертны» и могут существовать бесконечно долго. Однако это не так, например, у животных большинство клеток имеют ограничения на количество делений. Дело в том, что на концах хромосом имеются особые участки — теломеры, в которых многократно повторяется определённый фрагмент. При каждом делении теломера сокращается на один такой фрагмент и через определённое количество делений полностью расходуется. Интересно, что стволовые клетки таких ограничений не имеют, а раковые клетки каким-то образом преодолевают этот барьер и могут делиться бесконечно. Поэтому безудержное деление клеток, или нарушение митоза, могут свидетельствовать о развитии онкологического заболевания.

Клетка может погибнуть вследствие старения. Этот процесс называется апоптозом (от греч. апоптозис — опадание листвы) и ему подвержены клетки, утратившие способность к делению. При этом они подвергаются значительным изменениям — уплотняется хроматин, ядро распадается на отдельные части, уменьшается объём цитоплазмы и т. п. Это характерно для нейронов, эритроцитов, ситовидных трубок и т. п.

Клетки могут погибнуть вследствие повреждений или воздействия неблагоприятных факторов. Такой процесс называется некрозом (от греч. некрозис — омертвение). При этом погибают, как правило, не отдельные клетки, а целые группы. Некрозы развиваются при многих тяжёлых заболеваниях человека, например, инфаркте миокарда (отмирание участков мышечной сердечной ткани). Следовательно, апоптоз — запланированная гибель клеток, а некроз — незапланированная.

В организме митоз контролируется системой нейрогуморальной регуляции, зависит от нервной системы, на него влияют гормоны надпочечных желёз, гипофиза, щитовидной и половых желёз, а также продукты тканевого распада, вещества, выделяющиеся вследствие функциональной активности клеток.

Регулирующим фактором внешней среды являются суточные ритмы. Так у животных, которым присущ ночной образ жизни, максимум митозов приходится на день, а у дневных животных — на ночь.

Поиск по сайту: