Внутри клетки

Цикл статей Национального Института Медицинских Наук (NIGMS)

Часть 4. Клеточное воспроизводство: размножение делением

© svetlana.pro авторский перевод

И ты, и все мы начинали с одной клетки. Эта клетка не могла двигаться и думать, не могла видеть другие клетки и рассказывать им смешные истории. Эта клетка могла сделать только одно — разделиться. Была одна — стало две, потом четыре, восемь — и так далее, пока не стала удивительным человеком, вроде тебя. Представь себе – теперь вы можешь смеяться над шутками, стоять на голове и есть мороженое, слушать симфонии и заниматься разными интересными вещами.

В этой статье ты узнаешь, как делятся клетки. Эта тема чрезвычайно заинтересовала ученых, когда они 100 лет назад наблюдали деление клетки под микроскопом, и что важно – они смогли разобраться в этом процессе. Ведь ты можешь понять правила игры в футбол или в шахматы, если несколько раз будешь смотреть, как играют другие. Учёные сделали это так же – внимательно наблюдали за тем, как делятся клетки.

Но тебе даже не понадобится микроскоп, чтобы увидеть все это. Подключив к нему фотокамеру, ученые сделали детальные фотографии, и некоторые из которых  ты увидишь в этой статье.

Два способа деления


деление клетки

Фото: TORSTEN WITTMAN

Есть два способа деления клеток: митоз и мейоз.

Митоз по своей сути – это точное дублирование: в результате митоза, появляются две абсолютно одинаковые по генетическому составу клетки: одинаковые и друг-другу, и клетке-родительнице. Ты вырос из одной зародышевой клетки, чтобы стать человеком — для этого ты воспользовался митозом. Даже сейчас, когда ты уже вырос, способом митоза старые клетки заменяются новыми, например – при обновлении кожи. Митоз непрерывно происходит во всех частях твоего тела, чтобы оно оставалось в хорошем состоянии.


Мейоз — это совсем другое. Мейоз изменяет гены и создает клетки, которые отличаются и друг от друга, и от клетки-родительницы. Митоз может произойти почти с любой клеткой. Но только некоторые специальные клетки могут делиться по способу мейоза — это яйцеклетки у женщин и сперматозоиды у мужчин. Митоз – для роста и поддержания. Мейоз – для полового размножения.

Клетка-велосипедист (клеточный цикл)

Митоз фото        Митоз фото

Обычно, жизненный цикл животных клеток составляет около 24 часов, но в зависимости от типа клетки, он может длиться от 8 часов до больше чем 1 года. Больше всего клетка меняется в фазе G1.

До того, как подробнее рассмотреть процесс митоза, давайте отойдем немного назад, чтобы увидеть картину полностью.

На рисунке показан цикл жизни клетки растений-эукариотов или клеток животных. Цикл начинается, когда клетка появляется способом митоза и длится до тех пор, пока клетка тем же способом митоза не разделится на две новых клетки. Цикл состоит из отдельных этапов:

G1-фаза        – период роста


S-фаза        – этап синтеза

G2-фаза        – второй этап роста

M-фаза        – митоз

Как ты видишь, митоз составляет только небольшую часть жизненного цикла.

Остальное время между G1 и G2 – это интерфаза.

Сначала ученые считали, что между фазами G1 и G2 мало что происходит, но теперь они знают, что это далеко не так. Именно во время интерфазы – копируются хромосомы (генетический материал), и клетки увеличивают свой размер в 2 раза. И, несмотря на это, клетки продолжают делать свою работу. Клетки твоих сердечных мышц сокращаются и качают кровь, клетки твоего кишечника поглощают пищу, которую ты ешь, клетки щитовидной железы создают гормоны, и так далее. Но большинство этих действий прекращается, когда наступает период митоза. И ты наверно уже догадался, что не все клетки делятся одновременно. Когда одна клетка делится – ее соседи продолжают работать, чтобы все твое тело могло непрерывно действовать.

Контрольно-пропускные пункты: клеточные контролёры

На первый взгляд, все эти действия кажутся простыми и происходящими в полном порядке – одно за другим. Это похоже на то, как строят дом: стены не ставят раньше, чем будет готов фундамент. Так и в клетке – митоз не начнется раньше, чем произойдет копирование генетического материала. Иначе в двух новых клеток не получилось бы полного набора хромосом, и они, скорее всего, погибли бы. Поэтому в клеточном цикле, фазы должны следовать одна за другой, не нарушая строгого порядка.

iv>

Как клетка “узнает”, что одна фаза завершена, и пора переходить к следующей? Эта тайна заключается в том, что в клетке есть несколько молекулярных контролёров, которые занимают свои посты на всем протяжении клеточного цикла. Эти контролёры действуют также, как руководители строительства дома – они смотрят – если один шаг был завершен, то дают сигнал “ок”, чтобы переходить к следующему шагу. Если шаг не был завершен, то контролёры сигналят “стоп”, запрещая двигаться дальше по циклу. Существуют три основных пропускных пункта: один между G1 и S-фазой, один между G2 и митозом, и еще один во время митоза.

Понятие контрольно-пропускного пункта, впервые было введено Тедом Вейнертом из Университета Аризоны (Тусон) и Леландом Хартвеллом из онкологического научного центра Фреда Хатчинсона (Сиэтл, штат Вашингтон). Проведя эксперименты с дрожжевыми клетками, Вейнерт и Хартвелл обнаружили, что белок под названием Rad9, является частью контрольно-пропускного пункта. Цикл клетки с любым повреждением, будет остановлен на этом пропускном пункте, и все повреждения будут исправлены до того, как начнется митоз. Клетки, которые не имеют Rad9 – не замечают в себе поломок, и проходят через митоз с катастрофическими последствиями: новые клетки после митоза имеют повреждения ДНК, и неизменно умирают. После этих открытий, во многих видах клеток (включая клетки человека) были обнаружены специальные гены, которые контролируют клеточный цикл.


Хартвел выявил более 100 генов, которые помогают контролировать клеточный цикл, и в знак признания важности этих открытий, он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2011 году.

Митоз фото

Вручение Нобелевской премии

Леланду Хартвеллу


Фазы митоза

фазы митоза

Митоз – это рост и развитие, а также исправление повреждений и замена изношенных клеток по всему телу. (На схеме, для упрощения – в клетке показано только шесть пар хромосом.)

>

Интерфаза

Хромосомы копируются (удваиваются), но копии остаются нераздельными.

Профаза

Хромосомы уплотняются внутри ядра и становятся видимыми.

В цитоплазме образуется веретено с двумя полюсами.

Метафаза

Копии хромосом выстраиваются между полюсами на нитях веретена.

Анафаза

Хромосомы разделяются на две одинаковые группы и расходятся к противоположным полюсам веретена.

Телофаза

Ядерные оболочки отделяют и окружают две группы хромосом. Веретено разрушается.

Цитокинез

Клетка распадается на две дочерние клетки, каждая из них содержит одинаковое количество хромосом – также, как у родительской клетки. У человека такие клетки имеют по 23 пары хромосом и называются диплоидными.

Митоз: а ну делись!

Митоз является самым драматическим событием во всем клеточном цикле.


езапно распадающаяся клеточная структура, построение новой структуры, и все это достигает наивысшей точки в момент разделения клетки на две новые. Представь себе, ты спокойно идешь куда-нибудь по своим делам, и вдруг чувствуешь, как кости внутри начинают перемещаться! И тебя буквально растаскивает попалам, и прежде, чем ты успеваешь понять, что происходит, рядом с тобой уже находится твоя абсолютная копия (и наверное, тоже не понимает, что случилось). Примерно это и происходит в клетке во время митоза.

Митоз состоит из шести фаз: профазы, прометафазы, метафазы, анафазы, телофазы и цитокинеза. Первые пять фаз – выполняют расщепление ядра и копирование генетической информации (удвоение хромосом). На заключительном этапе, вся клетка разделяется на две идентичные дочерние клетки.

фазы митоза, фотографии

Все стадии митоза хорошо заметны в этой клетке Африканской лилии (Scadoxus katherinae). В ней толщина хромосом больше, чем длина самой длинной хромосомы в клетках человека. Автор: Эндрю С. Байер.

Главная цель митоза – сделать так, чтобы каждая дочерняя клетка получила одну точную копию каждой хромосомы. Другие клеточные компоненты, такие как рибосомы и митохондрии – тоже делятся между двумя дочерними клетками, но их точное распределение не так важно.


Рак: процесс выходит из под контроля

Твое тело внимательно следит за тем, когда и какие клетки делятся (с помощью молекулярных “стоп” или “ок” сигналов). Например, при ранении – поврежденные клетки отправляют сигналы соседним клеткам, которые начинают быстрее расти и делиться, и уплотняются на месте раны. В другом случае, если клетка оказывается в среде, где недостаточно питательных веществ, она подает сигналы остановки роста. Но случается, когда подаются неверные сигналы – “ок” для роста (хотя требуется остановка), или сигнал “стоп” для остановки (хотя на самом деле, нужно расти). И то, и другое может привести к бесконтрольному делению клеток и раковым заболеваниям. Митоз в такой ситуации, приводит не к восстановлению, а к разрушению тела – делением момогает расти агрессивным опухолям.

К счастью, требуется больше, чем один неправильный “стоп” или “ок” сигнал, чтобы клетки стали злокачественными. Потому что наши тела хорошо умеют себя защищать. Требуется один-два мощных удара по здоровым клеткам, чтобы они повредились и заболели. Удары – это ошибки, или мутации в ДНК (повреждение генов) – и в результате происходит появление неисправного белка. Солнечный свет, рентгеновские лучи и другие излучения, и токсины (такие как сигаретный дым и другие загрязнения воздуха) и некоторые вирусы могут вызывать такие мутации. Люди могут получить мутацию в наследство от своих родителей, поэтому получается так, что в некоторых семьях раковая болезнь проявляется намного чаще, чем в других: первый удар произошел в момент зачатия, и следующие мутации могут с большой вероятностью, начать злокачественные опухоли.


Митоз сам по себе тоже может вызывать мутации, потому что митоз в точности копирует ранее сделанные ошибки (но к счастью, почти все эти ошибки исправляются нашими системами ремонта ДНК). Получается, что митоз, с одной стороны – позволяет нам расти до исправления повреждений; с другой – является источником опасных мутаций ДНК. Мы вернемся к теме связи между делением клеток и повреждением ДНК, когда будем говорить о старении в следующей статье.

Митоз фото

Ряд факторов окружающей среды

вызывают мутации ДНК,

которые могут привести к раку:

это токсины в табачном дыме,

солнечные лучи и другие излучения,

а также вирусы.

Мейоз: пол, наследственность и выживание

Клетка всегда “говорит” – и секрет лишь в том, чтобы выучить её язык

Эндрю С. Байер, клеточный биолог


Митоз фото

Объявление в газете:

одинокий сперматозоид ищет одинокую яйцеклетку для совместной жизни, начиная с зиготы и так далее.

Вы должны иметь 23 хромосомы (ни больше, ни меньше),

и ничего страшного, если они будут немного перепутаны, – кто знает, может быть мы еще скажем за это спасибо.

Пожалуйста откликнитесь скорее — я без вас долго не выдержу!

Каждый из нас, начинал со встречи

сперматозоида и яйцеклетки.

© DENNIS KUNKEL MICROSCOPY, INC

яйцеклетка и сперматозоид

Почти все многоклеточные организмы размножаются половым путем – слиянием яйцеклетки и сперматозоида. Из них образуется новая клетка – зигота, и она тоже имеет полный набор из 23-х пар хромосом (как в почти любой клетке твоего тела).

Но как же такое может быть? Ведь если объединились яйцеклетка и сперматозоид, и у каждого из них были 23 пары хромосом, то их сложение приводит к 46 парам хромосом, и кажется, что клетка-зигота должна удвоить это количество и иметь 46 пар хромосом, а не 23 пары, как у всех. Но, задумайтесь – если эта клетка-зигота будет увеличена, то последующие поколения будут иметь еще больше хромосом в клетке. Только представь себе, сколько накопилось бы хромосом, за все человеческие поколения, если бы их количество постоянно удваивалось? Конечно же, этого не происходит. Даже самые первые биологи поняли, что должен быть способ сократить вдвое количество хромосом при объединении яйцеклетки и сперматозоида.

Чтобы решить эту задачу, природа разработала особый способ деления клеток – это мейоз. Когда идет подготовка к мейозу, хромосомы копируются один раз (как для митоза), но вместо одного деления клеток, происходит два. В результате получаются четыре клетки, в каждой из которых содержатся 23 одиночные хромосомы, а не 23 пары. То есть каждая из этих четырех клеток, получает только половину из набора хромосом родительской клетки.

Мейоз разделён на фазы также, как и митоз. Но, хотя фазы и называются одинаково, между ними есть разница, особенно на первых стадиях. Клекти делятся два раза, на схеме каждый этап отмечается “I” или “II”, указывая на первое и второе деление.

Секреты веретена

Если представить, что митоз – это танцевальный концерт, то хромосомы – это звезды танцпола. Но роли у хромосом-звезд скучные. Они просто разделяются на две группы и расходятся в стороны, потом опускается занавес. Управляет перемещениями по сцене режисер танца, митотическое веретено. По форме оно похоже на мяч, состоящий из массива волокон с двумя противоположными концами (полюсами) внутри клетки.

В начале митоза, волокна веретена (зеленого цвета) крепятся к хромосомам (синего цвета). И теперь веретено управлять движением хромосом во время митоза.

Митоз фото

Фото: CONLY RIEDER

Как же веретено перемещает хромосомы своими волокнами? Это загадка многих десятилетий. И ученые до сих пор не могут найти ответ на этот вопрос. Один из тех, кто работает над этой темой – Конли Рейдер (клеточный биолог, Wadsworth Center в Олбани). Некоторые ученые предполагают, что белок действует как клеточный автобус, перевозя хромосомы вдоль волокон. Другие (в их числе Рейдер) предлагают версию, согласно которой микротрубочки сокращаются или растягиваются, утолщаясь на концах, чтобы притягивать хоромосомы и толкать их дальше. Ученые также думают, что веретено может действовать и тем, и другим способом.

Эти детективно-молекулярные расследования, имеют большое значение. Когда в работе веретена случаются ошибки, хромосомы могут оказаться не на своем месте, что приведет к появлению клеток с неправильным количеством хромосом. Такие случаи могут стать причиной синдрома Дауна, заболевния раком, или выкидыша (которые в 35% случаев связаны именно с теми клетками, которые несут ошибочное количество генетического материала).

фазы мейоза, схема

Мейоз используется для производства спермы и яйцеклеток. Во время мейоза, хромосомы клетки копируются один раз, но клетка делится дважды. (Для простоты на схеме показаны только три пары хромосом.)

В профазе 1

Подходящие “материнские” и “отцовские” хромосомы объединяются в пары.

Прометафаза 1

В каждой паре, “материнская” и “отцовская” хромосомы обмениваются друг с другом участками. Этот процесс называется кроссинговер, так повышается генетическое разнообразие.

Второе деление мейоза, цитокинез

Четыре дочерних клетки, содержат вдвое меньше хромосом. Такие клетки называются гаплоидными.


Ошибки в процессе созревания яйцеклетки

Митоз фото

Эта диаграмма (кариотип) всех хромосом

в одной клетке показывает три,

а не две нормальные копии

хромосомы 21 (отмечено стрелками).

Такое состояние хромосом,

известно как синдром Дауна.

Фото: HESED PADILLA-NASH AND THOMAS RIED

Мужчины производят сперму непрерывно, с самого начала половой зрелости; образование сперматозоидов занимает около одной недели. Но у женщин все иначе. Девочки рождаются с определенным количеством “начальных” яйцеклеток, которые удерживаются в ранней стадии мейоза. На самом деле, начальная яйцеклетка не завершает мейоз, пока не произойдет оплодотворение. Это означает, что у женщин мейоз занимает десятилетия, и может продолжаться от 40 до 50 лет!

Ученые уже давно поняли, что из-за такого долгого мейоза, возникают некоторые генетические нарушения у их детей. Начальные яйцеклетки живут много лет, и в них накапливаются повреждения от мутаций, которые могут привести к ошибкам в остальной части мейоза. Например, риск возникновения синдрома Дауна, повышается у детей более старших мам.

Этот синдром возникает, когда хромосомы 21-й пары не могут отделиться во время мейоза, и обе копии хромосомы оказываются в одной яйцеклетке. После оплодотворения спермой, образуется клетка с тремя копиями 21-й хромосомы, вместо двух копий. Никто не знает точно, как и почему хромосомы не могут отделиться, и эту проблему трудно изучить, потому что нет подходящих примеров у животных.

Шарон Бикель, молекулярный биолог Дартмутского колледжа в Ганновере (Нью-Хемпшир), использующий в в качестве подопытных животных плодовых мушек, разработал метод, чтобы разобраться в этой человеческой головоломке. Плодовые мушки обычно производят яйцеклетки непрерывно, но Бикель изменил их жизнь таким образом, что созревание яйцеклеток замедлилось. Это было сделано для того, чтобы имитировать долгий период созревания яйцеклеток человека. Бикель обнаружил, что с увеличением срока, увеличилось количество проблем с хромосомами так же, как это происходит у пожилых женщин. При исследовании было замечено, что резервное копирование генетической системы, которая помогает обеспечить правильное разделение хромосом, тоже ухудшается, по мере старения мушиных яйцеклеток. И пока еще неизвестно, существует ли такая система в людях. И если такие же ошибки обнаружены в мухах, могут ли они объяснить повышение риска синдрома Дауна у младенцев матерей старшего возраста. Модель плодовой мухи Бикеля позволит ему и другим ученым, ответить на эти важные вопросы.

Источник: svetlana.pro

Митоз, кариокинез, непрямое деление – универсальный способ деления любых эукариотических клеток. При этом удвоившиеся и конденсированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом. Затем образуется веретено деления, которое обеспечивает разделение и расхождение хромосом к противоположным полюсам клетки. Митоз заканчивается делением тела клетки (цитотомия). Биологическая сущность митоза заключается в равномерном распределении генетического материала между дочерними клетками. Процесс митоза подразделяется на несколько ос­новных фаз: профаза, метафаза, анафаза и телофаза (рис. 2-14).

Профаза. ДНК в результате суперспирализации начинает выявляться под микроскопом в ядре клетки в виде палочковидных телец-хромосом. Процессы транскрипции в них прекращаются. Затем происходит исчезновение (дезинтеграция) ядрышек и ядерной оболочки. Уменьшается количество гранулярной эндоплазматической сети: она распадается на короткие цистерны и вакуоли, снижается число свободных и связанных с мембранами рибосом. Это приводит к почти полному прекращению биосинтеза белка в клетке. Центриоли расходятся к полюсам клетки, образуется митотическое веретено, его нити прикрепляются к кинетохорам хромосом.

РМитоз фотоис. 2-14. Схема митоза клетки. 1. Интерфаза. 2. Профаза.

3. Метафаза. 4. Анафаза. 5. Телофаза. 6. Ранняя интерфаза. (По Ю. И. Афанасьеву, Н. А. Юриной).

Метафаза. В этот период заканчивается образование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экватори­альной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку хромосом (вид сбоку) или материнскую звезду (вид с полюсов клетки). К концу метафазы завершается процесс разделения сестринских хроматид и они остаются связанными между собой только в области центромера. Метафаза по продолжительности занимает 30% времени всего митоза.

Анафаза. Хромосомы растягиваются к полюсам клетки с помощью микротрубочек веретена деления со скоростью 0,2-0,5 мкм/мин, что связано с деполимеризацией и укороче­нием микротрубочек и работой белков-транслокаторов. Это самая короткая фаза митоза, занимающая по продолжитель­ности лишь несколько процентов от всего времени митоза.

Телофаза. Начинается с остановки разошедшихся к полюсам хромосом (ранняя телофаза) и заканчивается созданием новых интерфазных ядер и разделением материнской клетки на две дочерние в результате цитотомии (поздняя телофаза). При этом хромосомы деконденсируются, образуются ядерные оболочки и формируются новые ядрышки.

Поскольку митоз очень сложный и тонкий процесс, во время деления клетки очень чувствительны к воздействию физикохимических факторов (облучение, токсические вещества, лекарственные препараты). При повреждении веретена деления может произойти или задержка митоза в метафазе, или рассеивание хромосом. При нарушениях репродукции центриолей могут возникать многополюсные и асимметричные митозы. Нарушения процесса цитотомии приводят к появлению гигантских ядер или многоядерных клеток.

Эндорепродукция – образование клеток с увеличенным содержанием хромосом и ДНК (полиплоидных). Плоидность – число наборов хромосом в клетке, обозначаемое буквой n. Пропорциональное содержание ДНК в клетке обозначается буквой с. В половых клетках набор хромосом гаплоидный (1n и, соответственно, они содержат 1с ДНК), а в соматических клетках набор хромосом обычно диплоидный (2n и 2с ДНК). Среди соматических клеток встречаются и полиплоидные, в которых набор хромосом больше: тетраплоидный (4n) и даже октаплоидный (8n).

Полиплоидия – образование клеток с повышенным (больше диплоидного) содержанием хромосом и ДНК. Такие клетки появляются в результате полного отсутствия или незавершённости отдельных этапов митоза, при блокаде цитотомии. При этом после прохождения S и G2- периодов клетки вступают в митоз с тетраплоидным набором хромосом, проходят все его фазы, но не делятся на две дочерние. Особый способ полиплоидизации – эндорепродукция. При этом в клетке происходит несколько циклов редупликации ДНК (S-периодов), без последующего образования митотических хромосом и митоза. Это приводит к прогрессивному увеличению количества ДНК в ядре.

Двуядерные и многоядерные клетки образуются тогда, когда в результате митоза происходит образование двух или более ядер, но без последующей цитотомии.

Мейоз – способ деления соматических клеток, в результате которого образуются клетки с гаплоидным набором хромосом (половые клетки). Оба деления мейоза происходят как обычный митоз, однако в профазе первого деления происходит обмен генами между гомологичными хромосомами (кроссинговер), между первым и вторым делением нет интерфазы и поэтому не происходит редупликации ДНК. Биологическое значение мейоза заключается в том, что образовавшиеся мужские и женские половые клетки несут генетическую информацию от отца и матери и при слиянии этих клеток образуется зигота с диплоидным набором хромосом, несущая равное количество генетической информации от обоих родителей.

Внутриклеточная регенерация – восстановление, замена структурных компонентов клетки. В процессе жизнедеятельности клетки происходит постоянное изнашивание и обновление её структурных компонентов: в течение нескольких часов или дней постепенно, полностью обновляются все молекулы биополимеров, из которых построены мембраны и немембранные компоненты клетки. Постепенно все структурные компоненты клетки замещаются на новые. Это особенно важно для клеток, которые не способны размножаться и регенерировать на клеточном уровне (нервные клетки, клетки сердца), их структурные компоненты на протяжении долгой жизни клетки могут обновляться многократно. Даже в относительно стабильных молекулах ДНК происходит постоянная замена (репарация) ее повреждённых фрагментов.

Адаптация клеток – процесс приспособления клеток к изменяющимся условиям существования. Например, мышечные клетки приспосабливаются к повышенной физической нагрузке, нервные клетки – к повышенной умственной нагрузке, клетки печени и почек – к воздействию токсических веществ, клетки кожи – к повышенному ультрафиолетовому облучению. При этом в клетках усиливаются процессы биосинтеза белка, увеличиваются размеры ядра, ядрышек, площадь поверхности ядерной оболочки, интенсивность транспортных и всех необходимых обменных процессов. Увеличивается также количество и размеры органелл, необходимых для усиленной работы клетки. Все это приводит к увеличению размеров самой клетки (гипертрофия клетки). Адаптация клеток имеет важнейшее значение для сохранения их жизнедеятельности в изменённых условиях существования, в том числе и при различных заболеваниях организма.

Источник: StudFiles.net

Внутри клетки

Цикл статей Национального Института Медицинских Наук (NIGMS)

Часть 4. Клеточное воспроизводство: размножение делением

© svetlana.pro авторский перевод

И ты, и все мы начинали с одной клетки. Эта клетка не могла двигаться и думать, не могла видеть другие клетки и рассказывать им смешные истории. Эта клетка могла сделать только одно — разделиться. Была одна — стало две, потом четыре, восемь — и так далее, пока не стала удивительным человеком, вроде тебя. Представь себе – теперь вы можешь смеяться над шутками, стоять на голове и есть мороженое, слушать симфонии и заниматься разными интересными вещами.

В этой статье ты узнаешь, как делятся клетки. Эта тема чрезвычайно заинтересовала ученых, когда они 100 лет назад наблюдали деление клетки под микроскопом, и что важно – они смогли разобраться в этом процессе. Ведь ты можешь понять правила игры в футбол или в шахматы, если несколько раз будешь смотреть, как играют другие. Учёные сделали это так же – внимательно наблюдали за тем, как делятся клетки.

Но тебе даже не понадобится микроскоп, чтобы увидеть все это. Подключив к нему фотокамеру, ученые сделали детальные фотографии, и некоторые из которых  ты увидишь в этой статье.

Два способа деления

деление клетки

Фото: TORSTEN WITTMAN

Есть два способа деления клеток: митоз и мейоз.

Митоз по своей сути – это точное дублирование: в результате митоза, появляются две абсолютно одинаковые по генетическому составу клетки: одинаковые и друг-другу, и клетке-родительнице. Ты вырос из одной зародышевой клетки, чтобы стать человеком — для этого ты воспользовался митозом. Даже сейчас, когда ты уже вырос, способом митоза старые клетки заменяются новыми, например – при обновлении кожи. Митоз непрерывно происходит во всех частях твоего тела, чтобы оно оставалось в хорошем состоянии.

Мейоз — это совсем другое. Мейоз изменяет гены и создает клетки, которые отличаются и друг от друга, и от клетки-родительницы. Митоз может произойти почти с любой клеткой. Но только некоторые специальные клетки могут делиться по способу мейоза — это яйцеклетки у женщин и сперматозоиды у мужчин. Митоз – для роста и поддержания. Мейоз – для полового размножения.

Клетка-велосипедист (клеточный цикл)

Митоз фото        Митоз фото

Обычно, жизненный цикл животных клеток составляет около 24 часов, но в зависимости от типа клетки, он может длиться от 8 часов до больше чем 1 года. Больше всего клетка меняется в фазе G1.

До того, как подробнее рассмотреть процесс митоза, давайте отойдем немного назад, чтобы увидеть картину полностью.

На рисунке показан цикл жизни клетки растений-эукариотов или клеток животных. Цикл начинается, когда клетка появляется способом митоза и длится до тех пор, пока клетка тем же способом митоза не разделится на две новых клетки. Цикл состоит из отдельных этапов:

G1-фаза        – период роста

S-фаза        – этап синтеза

G2-фаза        – второй этап роста

M-фаза        – митоз

Как ты видишь, митоз составляет только небольшую часть жизненного цикла.

Остальное время между G1 и G2 – это интерфаза.

Сначала ученые считали, что между фазами G1 и G2 мало что происходит, но теперь они знают, что это далеко не так. Именно во время интерфазы – копируются хромосомы (генетический материал), и клетки увеличивают свой размер в 2 раза. И, несмотря на это, клетки продолжают делать свою работу. Клетки твоих сердечных мышц сокращаются и качают кровь, клетки твоего кишечника поглощают пищу, которую ты ешь, клетки щитовидной железы создают гормоны, и так далее. Но большинство этих действий прекращается, когда наступает период митоза. И ты наверно уже догадался, что не все клетки делятся одновременно. Когда одна клетка делится – ее соседи продолжают работать, чтобы все твое тело могло непрерывно действовать.

Контрольно-пропускные пункты: клеточные контролёры

На первый взгляд, все эти действия кажутся простыми и происходящими в полном порядке – одно за другим. Это похоже на то, как строят дом: стены не ставят раньше, чем будет готов фундамент. Так и в клетке – митоз не начнется раньше, чем произойдет копирование генетического материала. Иначе в двух новых клеток не получилось бы полного набора хромосом, и они, скорее всего, погибли бы. Поэтому в клеточном цикле, фазы должны следовать одна за другой, не нарушая строгого порядка.

Как клетка “узнает”, что одна фаза завершена, и пора переходить к следующей? Эта тайна заключается в том, что в клетке есть несколько молекулярных контролёров, которые занимают свои посты на всем протяжении клеточного цикла. Эти контролёры действуют также, как руководители строительства дома – они смотрят – если один шаг был завершен, то дают сигнал “ок”, чтобы переходить к следующему шагу. Если шаг не был завершен, то контролёры сигналят “стоп”, запрещая двигаться дальше по циклу. Существуют три основных пропускных пункта: один между G1 и S-фазой, один между G2 и митозом, и еще один во время митоза.

Понятие контрольно-пропускного пункта, впервые было введено Тедом Вейнертом из Университета Аризоны (Тусон) и Леландом Хартвеллом из онкологического научного центра Фреда Хатчинсона (Сиэтл, штат Вашингтон). Проведя эксперименты с дрожжевыми клетками, Вейнерт и Хартвелл обнаружили, что белок под названием Rad9, является частью контрольно-пропускного пункта. Цикл клетки с любым повреждением, будет остановлен на этом пропускном пункте, и все повреждения будут исправлены до того, как начнется митоз. Клетки, которые не имеют Rad9 – не замечают в себе поломок, и проходят через митоз с катастрофическими последствиями: новые клетки после митоза имеют повреждения ДНК, и неизменно умирают. После этих открытий, во многих видах клеток (включая клетки человека) были обнаружены специальные гены, которые контролируют клеточный цикл.

Хартвел выявил более 100 генов, которые помогают контролировать клеточный цикл, и в знак признания важности этих открытий, он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2011 году.

Митоз фото

Вручение Нобелевской премии

Леланду Хартвеллу


Фазы митоза

фазы митоза

Митоз – это рост и развитие, а также исправление повреждений и замена изношенных клеток по всему телу. (На схеме, для упрощения – в клетке показано только шесть пар хромосом.)

Интерфаза

Хромосомы копируются (удваиваются), но копии остаются нераздельными.

Профаза

Хромосомы уплотняются внутри ядра и становятся видимыми.

В цитоплазме образуется веретено с двумя полюсами.

Метафаза

Копии хромосом выстраиваются между полюсами на нитях веретена.

Анафаза

Хромосомы разделяются на две одинаковые группы и расходятся к противоположным полюсам веретена.

Телофаза

Ядерные оболочки отделяют и окружают две группы хромосом. Веретено разрушается.

Цитокинез

Клетка распадается на две дочерние клетки, каждая из них содержит одинаковое количество хромосом – также, как у родительской клетки. У человека такие клетки имеют по 23 пары хромосом и называются диплоидными.

Митоз: а ну делись!

Митоз является самым драматическим событием во всем клеточном цикле. Внезапно распадающаяся клеточная структура, построение новой структуры, и все это достигает наивысшей точки в момент разделения клетки на две новые. Представь себе, ты спокойно идешь куда-нибудь по своим делам, и вдруг чувствуешь, как кости внутри начинают перемещаться! И тебя буквально растаскивает попалам, и прежде, чем ты успеваешь понять, что происходит, рядом с тобой уже находится твоя абсолютная копия (и наверное, тоже не понимает, что случилось). Примерно это и происходит в клетке во время митоза.

Митоз состоит из шести фаз: профазы, прометафазы, метафазы, анафазы, телофазы и цитокинеза. Первые пять фаз – выполняют расщепление ядра и копирование генетической информации (удвоение хромосом). На заключительном этапе, вся клетка разделяется на две идентичные дочерние клетки.

фазы митоза, фотографии

Все стадии митоза хорошо заметны в этой клетке Африканской лилии (Scadoxus katherinae). В ней толщина хромосом больше, чем длина самой длинной хромосомы в клетках человека. Автор: Эндрю С. Байер.

Главная цель митоза – сделать так, чтобы каждая дочерняя клетка получила одну точную копию каждой хромосомы. Другие клеточные компоненты, такие как рибосомы и митохондрии – тоже делятся между двумя дочерними клетками, но их точное распределение не так важно.

Рак: процесс выходит из под контроля

Твое тело внимательно следит за тем, когда и какие клетки делятся (с помощью молекулярных “стоп” или “ок” сигналов). Например, при ранении – поврежденные клетки отправляют сигналы соседним клеткам, которые начинают быстрее расти и делиться, и уплотняются на месте раны. В другом случае, если клетка оказывается в среде, где недостаточно питательных веществ, она подает сигналы остановки роста. Но случается, когда подаются неверные сигналы – “ок” для роста (хотя требуется остановка), или сигнал “стоп” для остановки (хотя на самом деле, нужно расти). И то, и другое может привести к бесконтрольному делению клеток и раковым заболеваниям. Митоз в такой ситуации, приводит не к восстановлению, а к разрушению тела – делением момогает расти агрессивным опухолям.

К счастью, требуется больше, чем один неправильный “стоп” или “ок” сигнал, чтобы клетки стали злокачественными. Потому что наши тела хорошо умеют себя защищать. Требуется один-два мощных удара по здоровым клеткам, чтобы они повредились и заболели. Удары – это ошибки, или мутации в ДНК (повреждение генов) – и в результате происходит появление неисправного белка. Солнечный свет, рентгеновские лучи и другие излучения, и токсины (такие как сигаретный дым и другие загрязнения воздуха) и некоторые вирусы могут вызывать такие мутации. Люди могут получить мутацию в наследство от своих родителей, поэтому получается так, что в некоторых семьях раковая болезнь проявляется намного чаще, чем в других: первый удар произошел в момент зачатия, и следующие мутации могут с большой вероятностью, начать злокачественные опухоли.

Митоз сам по себе тоже может вызывать мутации, потому что митоз в точности копирует ранее сделанные ошибки (но к счастью, почти все эти ошибки исправляются нашими системами ремонта ДНК). Получается, что митоз, с одной стороны – позволяет нам расти до исправления повреждений; с другой – является источником опасных мутаций ДНК. Мы вернемся к теме связи между делением клеток и повреждением ДНК, когда будем говорить о старении в следующей статье.

Митоз фото

Ряд факторов окружающей среды

вызывают мутации ДНК,

которые могут привести к раку:

это токсины в табачном дыме,

солнечные лучи и другие излучения,

а также вирусы.

Мейоз: пол, наследственность и выживание

Клетка всегда “говорит” – и секрет лишь в том, чтобы выучить её язык

Эндрю С. Байер, клеточный биолог

Митоз фото

Объявление в газете:

одинокий сперматозоид ищет одинокую яйцеклетку для совместной жизни, начиная с зиготы и так далее.

Вы должны иметь 23 хромосомы (ни больше, ни меньше),

и ничего страшного, если они будут немного перепутаны, – кто знает, может быть мы еще скажем за это спасибо.

Пожалуйста откликнитесь скорее — я без вас долго не выдержу!

Каждый из нас, начинал со встречи

сперматозоида и яйцеклетки.

© DENNIS KUNKEL MICROSCOPY, INC

яйцеклетка и сперматозоид

Почти все многоклеточные организмы размножаются половым путем – слиянием яйцеклетки и сперматозоида. Из них образуется новая клетка – зигота, и она тоже имеет полный набор из 23-х пар хромосом (как в почти любой клетке твоего тела).

Но как же такое может быть? Ведь если объединились яйцеклетка и сперматозоид, и у каждого из них были 23 пары хромосом, то их сложение приводит к 46 парам хромосом, и кажется, что клетка-зигота должна удвоить это количество и иметь 46 пар хромосом, а не 23 пары, как у всех. Но, задумайтесь – если эта клетка-зигота будет увеличена, то последующие поколения будут иметь еще больше хромосом в клетке. Только представь себе, сколько накопилось бы хромосом, за все человеческие поколения, если бы их количество постоянно удваивалось? Конечно же, этого не происходит. Даже самые первые биологи поняли, что должен быть способ сократить вдвое количество хромосом при объединении яйцеклетки и сперматозоида.

Чтобы решить эту задачу, природа разработала особый способ деления клеток – это мейоз. Когда идет подготовка к мейозу, хромосомы копируются один раз (как для митоза), но вместо одного деления клеток, происходит два. В результате получаются четыре клетки, в каждой из которых содержатся 23 одиночные хромосомы, а не 23 пары. То есть каждая из этих четырех клеток, получает только половину из набора хромосом родительской клетки.

Мейоз разделён на фазы также, как и митоз. Но, хотя фазы и называются одинаково, между ними есть разница, особенно на первых стадиях. Клекти делятся два раза, на схеме каждый этап отмечается “I” или “II”, указывая на первое и второе деление.

Секреты веретена

Если представить, что митоз – это танцевальный концерт, то хромосомы – это звезды танцпола. Но роли у хромосом-звезд скучные. Они просто разделяются на две группы и расходятся в стороны, потом опускается занавес. Управляет перемещениями по сцене режисер танца, митотическое веретено. По форме оно похоже на мяч, состоящий из массива волокон с двумя противоположными концами (полюсами) внутри клетки.

В начале митоза, волокна веретена (зеленого цвета) крепятся к хромосомам (синего цвета). И теперь веретено управлять движением хромосом во время митоза.

Митоз фото

Фото: CONLY RIEDER

Как же веретено перемещает хромосомы своими волокнами? Это загадка многих десятилетий. И ученые до сих пор не могут найти ответ на этот вопрос. Один из тех, кто работает над этой темой – Конли Рейдер (клеточный биолог, Wadsworth Center в Олбани). Некоторые ученые предполагают, что белок действует как клеточный автобус, перевозя хромосомы вдоль волокон. Другие (в их числе Рейдер) предлагают версию, согласно которой микротрубочки сокращаются или растягиваются, утолщаясь на концах, чтобы притягивать хоромосомы и толкать их дальше. Ученые также думают, что веретено может действовать и тем, и другим способом.

Эти детективно-молекулярные расследования, имеют большое значение. Когда в работе веретена случаются ошибки, хромосомы могут оказаться не на своем месте, что приведет к появлению клеток с неправильным количеством хромосом. Такие случаи могут стать причиной синдрома Дауна, заболевния раком, или выкидыша (которые в 35% случаев связаны именно с теми клетками, которые несут ошибочное количество генетического материала).

фазы мейоза, схема

Мейоз используется для производства спермы и яйцеклеток. Во время мейоза, хромосомы клетки копируются один раз, но клетка делится дважды. (Для простоты на схеме показаны только три пары хромосом.)

В профазе 1

Подходящие “материнские” и “отцовские” хромосомы объединяются в пары.

Прометафаза 1

В каждой паре, “материнская” и “отцовская” хромосомы обмениваются друг с другом участками. Этот процесс называется кроссинговер, так повышается генетическое разнообразие.

Второе деление мейоза, цитокинез

Четыре дочерних клетки, содержат вдвое меньше хромосом. Такие клетки называются гаплоидными.


Ошибки в процессе созревания яйцеклетки

Митоз фото

Эта диаграмма (кариотип) всех хромосом

в одной клетке показывает три,

а не две нормальные копии

хромосомы 21 (отмечено стрелками).

Такое состояние хромосом,

известно как синдром Дауна.

Фото: HESED PADILLA-NASH AND THOMAS RIED

Мужчины производят сперму непрерывно, с самого начала половой зрелости; образование сперматозоидов занимает около одной недели. Но у женщин все иначе. Девочки рождаются с определенным количеством “начальных” яйцеклеток, которые удерживаются в ранней стадии мейоза. На самом деле, начальная яйцеклетка не завершает мейоз, пока не произойдет оплодотворение. Это означает, что у женщин мейоз занимает десятилетия, и может продолжаться от 40 до 50 лет!

Ученые уже давно поняли, что из-за такого долгого мейоза, возникают некоторые генетические нарушения у их детей. Начальные яйцеклетки живут много лет, и в них накапливаются повреждения от мутаций, которые могут привести к ошибкам в остальной части мейоза. Например, риск возникновения синдрома Дауна, повышается у детей более старших мам.

Этот синдром возникает, когда хромосомы 21-й пары не могут отделиться во время мейоза, и обе копии хромосомы оказываются в одной яйцеклетке. После оплодотворения спермой, образуется клетка с тремя копиями 21-й хромосомы, вместо двух копий. Никто не знает точно, как и почему хромосомы не могут отделиться, и эту проблему трудно изучить, потому что нет подходящих примеров у животных.

Шарон Бикель, молекулярный биолог Дартмутского колледжа в Ганновере (Нью-Хемпшир), использующий в в качестве подопытных животных плодовых мушек, разработал метод, чтобы разобраться в этой человеческой головоломке. Плодовые мушки обычно производят яйцеклетки непрерывно, но Бикель изменил их жизнь таким образом, что созревание яйцеклеток замедлилось. Это было сделано для того, чтобы имитировать долгий период созревания яйцеклеток человека. Бикель обнаружил, что с увеличением срока, увеличилось количество проблем с хромосомами так же, как это происходит у пожилых женщин. При исследовании было замечено, что резервное копирование генетической системы, которая помогает обеспечить правильное разделение хромосом, тоже ухудшается, по мере старения мушиных яйцеклеток. И пока еще неизвестно, существует ли такая система в людях. И если такие же ошибки обнаружены в мухах, могут ли они объяснить повышение риска синдрома Дауна у младенцев матерей старшего возраста. Модель плодовой мухи Бикеля позволит ему и другим ученым, ответить на эти важные вопросы.

Источник: svetlana.pro

Клеточный цикл

Клеточный цикл – это период жизни клетки от одного деления до другого. Состоит из интерфазы и периодов деления. Продолжительность клеточного цикла у разных организмов разная (у бактерий – 20-30 мин, у клеток эукариот – 10-80 ч).

Интерфаза

Интерфаза (от лат. inter – между, phases – появление) – это период между делениями клетки или от деления до ее гибели. Период от деления клетки до ее гибели характерен для клеток многоклеточного организма, которые после деления утратили способность к нему (эритроциты, нервные клетки и т. п.). Интерфаза занимает приблизительно 90 % времени клеточного цикла.

Интерфаза включает:

1) пресинтетический период (G1) – начинаются интенсивные процессы биосинтеза, клетка растет, увеличивается в размерах. Именно в этом периоде до смерти остаются клетки многоклеточных организмов, которые утратили способность к делению;

2) синтетический (S) – происходит удвоение ДНК, хромосом (клетка становится тетраплоидной), удваиваются центриоли, если они есть;

3) постсинтетический (G2) – в основном прекращаются процессы синтеза в клетке, происходит подготовка клетки к делению.

Деление клетки бывает прямым (амитоз) и непрямым (митоз, мейоз).

Амитоз

Амитоз – прямое деление клеток, при котором не образуется аппарат деления. Ядро делится вследствие кольцевой перетяжки. Не происходит равномерного распределения генетической информации. В природе амитозом делятся макронуклеусы (большие ядра) инфузорий, клетки плаценты у млекопитающих. Амитозом могут делиться клетки раковых опухолей.

Непрямое деление связано с образованием аппарата деления. В аппарат деления входят компоненты, которые обеспечивают равномерное распределение хромосом между клетками (веретено деления, центромеры, если есть – центриоли). Деление клетки условно можно разделить на деление ядра (кариокинез) и деление цитоплазмы (цитокинез). Последний начинается к концу деления ядра. Наиболее распространены в природе митоз и мейоз. Иногда встречается эндомитоз – непрямое деление, которое происходит в ядре без разрушения его оболочки.

Митоз

Митоз – это непрямое деление клетки, при котором из материнской образуются две дочерние клетки с идентичным набором генетической информации.

Фазы митоза:

1) профаза – происходит уплотнение хроматина (конденсация), хроматиды спирализируются и укорачиваются (становятся заметными в световой микроскоп), исчезают ядрышки и ядерная оболочка, образуется веретено деления, его нити прикрепляются к центромерам хромосом, центриоли делятся и расходятся к полюсам клетки;

2) метафаза – хромосомы максимально спирализированы и располагаются вдоль экватора (в экваториальной пластинке), гомологичные хромосомы лежат рядом;

3) анафаза – нити веретена деления сокращаются одновременно и растягивают хромосомы к полюсам (хромосомы становятся однохроматидными), самая короткая фаза митоза;

4) телофаза – хромосомы деспирализируются, образуются ядрышки, ядерная оболочка, начинается деление цитоплазмы.

Митоз характерен преимущественно для соматических клеток. Благодаря митозу сохраняется постоянство числа хромосом. Способствует увеличению числа клеток, поэтому наблюдается при росте, регенерации, вегетативном размножении.

Мейоз

Мейоз (от греч. мейозис – уменьшение) – это непрямое редукционное деление клетки, при котором из материнской образуются четыре дочерние, располагающие неидентичной генетической информацией.

Различают два деления: мейоз I и мейоз II. Интерфаза I сходна с интерфазой перед митозом. В постсинтетическом периоде интерфазы процессы синтеза белка не прекращаются и продолжаются в профазе первого деления.

Мейоз I:

профаза I – хромосомы спирализируются, ядрышко и ядерная оболочка исчезают, образуется веретено деления, гомологичные хромосомы сближаются и слипаются вдоль сестринских хроматид (как молния в замке) – происходит конъюгация, при этом образуются тетрады, или биваленты, образуется перекрест хромосом и обмен участками – кроссинговер, потом гомологичные хромосомы отталкиваются одна от другой, но остаются сцепленными в участках, где состоялся кроссинговер; процессы синтеза завершаются;

метафаза I – хромосомы располагаются вдоль экватора, гомологичные –двухроматидные хромосомы располагаются одна напротив другой по обе стороны экватора;

анафаза I – нити веретена деления одновременно сокращаются, растягивают по одной гомологичной двухроматидной хромосоме к полюсам;

телофаза I (если есть) – хромосомы деспирализируются, образуются ядрышко и ядерная оболочка, происходит распределение цитоплазмы (клетки, которые образовались, гаплоидны).

Интерфаза II (если есть): не происходит удвоения ДНК.

Мейоз II:

профаза II – уплотняются хромосомы, исчезают ядрышко и ядерная оболочка, образуется веретено деления;

метафаза II – хромосомы располагаются вдоль экватора;

анафаза II – хромосомы при одновременном сокращении нитей веретена деления расходятся к полюсам;

телофаза II – деспирализируются хромосомы, образуются ядрышко и ядерная оболочка, делится цитоплазма.

Мейоз происходит перед образованием половых клеток. Позволяет при слиянии половых клеток сохранять постоянство числа хромосом вида (кариотип). Обеспечивает комбинативную изменчивость.

Источник: xn—-9sbecybtxb6o.xn--p1ai