Деление клетки. Клеточный цикл. Митоз и мейоз

Образование половых клеток у животных и растений

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

В основе любого вида размножения лежит деление клеток. Продолжительность жизни многоклеточного организма превышает время жизни большинства составляющих его клеток. Все клетки многоклеточных организмов должны делиться, чтобы заменять погибающие клетки. Все новые клетки возникают путём деления из уже существующих клеток.

Митоз – основной способ деления клеток. Митоз (от греческого mitos – нить) – непрямое деление клетки. Он обеспечивает равномерную передачу наследственной информации материнской клетки двум дочерним. Именно благодаря этому виду клеточного деления образуются практически все клетки многоклеточного организма.

Митотический (клеточный) цикл состоит из подготовительной стадии интерфазы и собственно деления – митоза (фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза).


Характеристика митоза

Интерфаза – процесс подготовки клетки к делению,  имеет 3 периода.

Пресинтетический период, период до удвоения хромосом, (G1 от англ. Gar – интервал), 2n2с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Клетка интенсивно растёт, в ней синтезируется РНК и различные белки, увеличивается число рибосом, митохондрий.

Синтетический период, период удвоения хромосом, (S – фаза), 2n4с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Происходит удвоение хромосом, в основе которого лежит процесс репликации ДНК, в результате каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Постсинтетический период, период после удвоения хромосом, (G2), 2n4с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Клетка готовится к делению, синтезируются белки, из которых будет сформировано веретено деления, запасается энергия в виде АТФ.

Профаза (2n4с). В результате спирализации хромосомы уплотняются, укорачиваются. Формируется веретено деления, ядерная оболочка исчезает, и хромосомы свободно располагаются в цитоплазме. К центромерам присоединяются нити веретена деления.

Хромосомы начинают передвигаться к экватору клетки. Метафаза (2n4с). Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора, образуя так называемую метафазную пластинку.


Анафаза (4n4с). Начинается с деления центромер всех хромосом, в результате чего хроматиды превращаются в две совершенно обособленные, самостоятельные дочерние хромосомы. Затем дочерние хромосомы начинают расходиться к полюсам клетки.

Телофаза (2n2с). Хромосомы концентрируются на полюсах клетки и деспирализуются. Веретено деления разрушается. Вокруг хромосом формируется оболочка ядер дочерних клеток, затем происходит деление цитоплазмы клетки.

Цитокинез -– деление цитоплазмы. Кариокинез – деление ядра.

Биологическое значение митоза

Митоз обеспечивает постоянство числа хромосом во всех клетках организма. В процессе митоза происходит распределение ДНК хромосом материнской клетки строго поровну между возникающими из неё двумя дочерними клетками.

Мейоз

Два последовательно сменяющих друг друга деления. Между двумя делениями – короткая интерфаза, во время которой не происходит удвоения ДНК. В результате мейоза из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные. Образуются четыре гаплоидные клетки.

Биологическое значение мейоза

Является механизмом образования гамет животных и спор высших растений. Обеспечивает постоянство кариотипа и вида при половом размножении. Обеспечивает генетическое разнообразие.

Оплодотворение –  процесс слияния яйцеклетки и сперматозоида. Процесс оплодотворения состоит из нескольких этапов:

1.                 Проникновение сперматозоида в яйцеклетку.


2.                 Слияние гаплоидных ядер обеих гамет, в результате чего образуется зигота (диплоидная клетка).

3.                 Активация зиготы к дроблению и дальнейшему развитию.

Жизненный цикл клетки

Промежуток времени от момента возникновения клетки в результате деления до её гибели или до следующего деления представляет собой жизненный цикл клетки. В это время клетка растёт, специализируется и выполняет свои функции в составе ткани и органов.

Лабораторная работа «Изучение фаз митоза в клетках корешка лука»

Практическая работа «Сравнение процессов митоза и мейоза»

Источник: resh.edu.ru

Жизненный цикл клетки (клеточный цикл)

С момента появления клетки и до ее смерти в результате апоптоза (программируемой клеточной гибели) непрерывно продолжается жизненный цикл клетки.

Здесь и в дальнейшем мы будем пользоваться генетической формулой клетки, где «n» — число хромосом, а «c» — число ДНК (хроматид). Напомню, что в состав каждой хромосомы может входить как одна молекула ДНК (одна хроматида) (nc), либо две (n2c).

Клеточный цикл включает в себя несколько этапов: деление (митоз), постмитотический (пресинтетический), синтетический, постсинтетический (премитотический) период. Три последних периода составляют интерфазу — подготовку к делению клетки.

Разберем периоды интерфазы более подробно:

iv>
  • Постмитотический период G1 — 2n2c
  • Интенсивно образуются рибосомы, синтезируется АТФ и все виды РНК, ферменты, делятся митохондрии, клетка растет.

  • Синтетический период S — 2n4c
  • Длится 6-10 часов. Важнейшее событие этого периода — удвоение ДНК, вследствие которого к концу синтетического периода каждая хромосома состоит из двух хроматид. Активно синтезируются структурные белки ДНК — гистоны.

  • Премитотический период G2 — 2n4c
  • Короткий, длится 2-6 часов. Это время клетка тратит на подготовку к последующему процессу — делению клетки, синтезируются белки и АТФ, удваиваются центриоли.

Митоз (греч. μίτος — нить)

Митоз является непрямым способом деления клетки, наиболее распространенным среди эукариотических организмов. По продолжительности занимает около 1 часа. К митозу клетка готовится в период интерфазы путем синтеза белков, АТФ и удвоения молекулы ДНК в синтетическом периоде.

Митоз состоит из 4 фаз, которые мы далее детально рассмотрим: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Напомню, что клетка вступает в митоз с уже удвоенным (в синтетическом периоде) количеством ДНК. Мы рассмотрим митоз на примере клетки с набором хромосом и ДНК 2n4c.


  • Профаза — 2n4c
    • Бесформенный хроматин в ядре начинает собираться в четкие оформленные структуры — хромосомы — происходит это за счет спирализации ДНК (вспомните мой пример ассоциации хромосомы с мотком ниток)
    • Оболочка ядра распадается, хромосомы оказываются в цитоплазме клетки
    • Центриоли перемещаются к полюсам клетки, образуются центры веретена деления
  • Метафаза — 2n4c
  • ДНК максимально спирализована в хромосомы, которые располагаются на экваторе клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой (кинетохором). Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом (если точнее, прикрепляются к кинетохору центромеры).

  • Анафаза — 4n4c
  • Самая короткая фаза митоза. Хромосомы, состоящие из двух хроматид, распадаются на отдельные хроматиды. Нити веретена деления тянут хроматиды (синоним — дочерние хромосомы) к полюсам клетки.

  • Телофаза — 2n2c
  • В этой фазе хроматиды (дочерние хромосомы) достигают полюсов клетки.

    • Начинается процесс деспирализации ДНК, хромосомы исчезают и становятся хроматином (вспомните ассоциацию про раскрученный моток ниток)
    • Появляется ядерная оболочка, формируется ядро
    • Разрушаются нити веретена деления
    >

    В телофазе происходит деление цитоплазмы — цитокинез (цитотомия), в результате которого образуются две дочерние клетки с набором 2n2c. В клетках животных цитокинез осуществляется стягиванием цитоплазмы, в клетках растений — формированием плотной клеточной стенки (которая растет изнутри кнаружи).

Образовавшиеся в телофазе дочерние клетки 2n2c вступают в постмитотический период. Затем в синтетический период, где происходит удвоение ДНК, после чего каждая хромосома состоит из двух хроматид — 2n4c. Клетка с набором 2n4c и попадает в профазу митоза. Так замыкается клеточный цикл.

Биологическое значение митоза очень существенно:

  • В результате митоза образуются дочерние клетки — генетические копии (клоны) материнской.
  • Митоз является универсальным способом бесполого размножения, регенерации и протекает одинаково у всех эукариот (ядерных организмов).
  • Универсальность митоза служит очередным доказательством единства всего органического мира.

Попробуйте самостоятельно вспомнить фазы митоза и описать события, которые в них происходят. Особенное внимание уделите состоянию хромосом, подчеркните сколько в них содержится молекул ДНК (хроматид).

Мейоз

Мейоз (от греч. μείωσις — уменьшение), или редукционное деление клетки — способ деления клетки, при котором наследственный материал в них (число хромосом) уменьшается вдвое. Мейоз происходит в ходе образования половых клеток (гамет) у животных и спор у растений.


В результате мейоза из диплоидных клеток (2n) получаются гаплоидные (n). Мейоз состоит из двух последовательных делений, между которыми практически отсутствует пауза. Удвоение ДНК перед мейозом происходит в синтетическом периоде интерфазы (как и при митозе).

Как уже было сказано, мейоз состоит из двух делений: мейоза I (редукционного) и мейоза II (эквационного). Первое деление называют редукционным (лат. reductio — уменьшение), так как к его окончанию число хромосом уменьшается вдвое. Второе деление — эквационное (лат. aequatio — уравнивание) очень похоже на митоз.

Приступим к изучению первого деления мейоза. За основу возьмем клетку с двумя хромосомами и удвоенным (в синтетическом периоде интерфазы) количеством ДНК — 2n4c.

  • Профаза мейоза I
  • Помимо типичных для профазы процессов (спирализация ДНК в хромосомы, разрушение ядерной оболочки, движение центриолей к полюсам клетки) в профазе мейоза I происходят два важнейших процесса: конъюгация и кроссинговер.

    Конъюгация (лат. conjugatio — соединение) — сближение гомологичных хромосом друг с другом. Гомологичными хромосомами называются такие, которые соответствуют друг другу по размерам, форме и строению. В результате конъюгации образуются комплексы, состоящие из двух хромосом — биваленты (лат. bi — двойной и valens — сильный).


    После конъюгации становится возможен следующий процесс — кроссинговер (от англ. crossing over — пересечение), в ходе которого происходит обмен участками между гомологичными хромосомами.

    Кроссинговер является важнейшим процессом, в ходе которого возникают рекомбинации генов, что создает уникальный материал для эволюции, последующего естественного отбора. Кроссинговер приводит к генетическому разнообразию потомства.

  • Метафаза мейоза I
  • Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент.

  • Анафаза мейоза I
  • Нити веретена деления сокращаются, вследствие чего биваленты распадаются на отдельные хромосомы, которые и притягиваются к полюсам клетки. В результате у каждого полюса формируется гаплоидный набор будущей клетки — n2c, за счет чего мейоз I и называется редукционным делением.

  • Телофаза мейоза I
  • Происходит цитокинез — деление цитоплазмы. Формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Очень короткая интерфаза после мейоза I сменяется новым делением — мейозом II.


Мейоз II весьма напоминает митоз по всем фазам, поэтому если вы что-то подзабыли: поищите в теме про митоз. Главное отличие мейоза II от мейоза I в том, что в анафазе мейоза II к полюсам клетки расходятся не хромосомы, а хроматиды (дочерние хромосомы).

В результате мейоза I и мейоза II мы получили из диплоидной клетки 2n4c гаплоидную клетку — nc. В этом и состоит сущность мейоза — образование гаплоидных (половых) клеток. Вспомнить набор хромосом и ДНК в различных фазах мейоза нам еще предстоит, когда будем изучать гаметогенез, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки — половые клетки (гаметы).

Сейчас мы возьмем клетку, в которой 4 хромосомы. Попытайтесь самостоятельно описать фазы и этапы, через которые она пройдет в ходе мейоза. Проговорите и осмыслите набор хромосом в каждой фазе.

Помните, что до мейоза происходит удвоение ДНК в синтетическом периоде. Из-за этого уже в начале мейоза вы видите их увеличенное число — 2n4c (4 хромосомы, 8 молекул ДНК). Я понимаю, что хочется написать 4n8c, однако это неправильная запись!) Ведь наша исходная клетка диплоидна (2n), а не тетраплоидна (4n) 😉

Итак, самое время обсудить биологическое значение мейоза:

  • Поддерживает постоянное число хромосом во всех поколениях, предотвращает удвоение числа хромосом
  • Благодаря кроссинговеру возникают новые комбинации генов, обеспечивается генетическое разнообразие состава гамет
  • Потомство с новыми признаками — материал для эволюции, который проходит естественный отбор

Бинарное деление надвое

Митоз и мейоз возможен только у эукариот, а как же быть прокариотам — бактериям? Они изобрели несколько другой способ и делятся бинарным делением надвое. Оно встречается не только у бактерий, но и у ряда ядерных организмов: амебы, инфузории, эвглены зеленой.

При благоприятных условиях бактерии делятся каждые 20 минут. В случае, если условия не столь благоприятны, то больше времени уходит на рост и развитие, накопление питательных веществ. Интервалы между делениями становятся длиннее.

Амитоз (от греч. ἀ — частица отрицания и μίτος — нить)

Способ прямого деления клетки, при котором не происходит образования веретена деления и равномерного распределения хромосом. Клетки делятся напрямую путем перетяжки, наследственный материал распределяется «как кому повезет» — случайным образом.

Амитоз встречается в раковых (опухолевых) клетках, воспалительно измененных, в старых клетках.

Источник: studarium.ru

Вчера биологи отмечали день рождения основателя цитогенетики Вальтера Флемминга. Он впервые обнаружил в клетке интенсивно окрашивающиеся структуры и назвал их хроматином. Позднее он обнаружил связь хроматина с хромосомами, которые получили свое современное название благодаря немецкому анатому и гистологу Генриху Вильгельму Вальдейеру. Особую известность Флеммингу принесли его исследования строения и деления клетки. Флемминг впервые ввел термин «митоз», обозначающий непрямое деление клетки.

Мы подготовили иллюстрированный обзор главных объектов исследования Флемминга.

У эукариотических клеток существет два способа деления: митоз и мейоз. Первый из них встречается гораздо чаще второго, но второй имеет ключевое значение для полового размножения.

Митоз — он же кариокинез или непрямое деление — это деление ядра эукариотической клетки с сохранением числа хромосом. У многоклеточных животных это единственный способ деления любых клеток за исключением половых. Для удобства изучения биологи делят митотический процесс на четыре стадии в за­висимости от того, как выглядят в это время хромосомы в све­товом микроскопе. В митозе выделяют профазу, метафазу, ана­фазу и телофазу. 

В профазе происходит «архивирование», компактизация генетического материала перед делением; хромосомы спирализуются — укорачиваются и утолщаются и становятся заметны в световой микроскоп. На этом этапе они состоят из двух связанных между собой сестринских хроматид. Одновременно со спирализацией хромосом исчезает ядрышко и разрывается ядерная оболочка. После ее распада хромосомы свободно и беспорядочно лежат в цитоплазме. Центриоли расходятся к полюсам клетки. В конце профазы начинает формироваться веретено деления. 

В метафазе завершается образование веретена деления, к микротрубочкам которого прикрепляются двойные хромосомы. Они лежат в одной плоскости и образуют так называемую метафазную пластинку. В метафазе отчетливо видно двойное строение хромосом, соединенных только в области центромеры. В этот период легко подсчитывать число хромосом, изучать их морфологические особенности. 

В анафазе дочерние хромосомы с помощью микротрубочек веретена деления растягиваются к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два диплоидных набора хромосом. В телофазе начинается деспирализация хромосом, формируется ядерная оболочка, в ядрах возникают ядрышки. Разрушается верете­но деления. Происходит разделение цитоплазмы с образованием двух клеток.

Мейоз, или редукционное деление — деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Мейоз включает в себя два последовательных деления с короткой интерфазой между ними. В результате из одной диплоидной образуется четыре гаплоидных клетки. Восстановление плоидности происходит в результате слияния половых клеток — оплодотворения. В тех случаях, когда мейоз сопряжён с гаметогенезом (например, у многоклеточных животных — у растений все сложнее, у них оплодотворение происходит обычно гораздо позже, чем мейоз), при развитии яйцеклеток первое и второе деления мейоза резко неравномерны, в результате чего формируется одна гаплоидная яйцеклетка и три редукционных или полярных тельца.

Цитосклелет — это сеть белковых нитей (филаментов), пронизывающих и поддерживающих эукариотическую клетку. Филаменты представляют собой протяженные, сходные с полимерами структуры, состоящие из белков одного типа. В зависимости от диаметра они подразделяются на  микрофиламенты (6-8 нм), промежуточные волокна (около 10 нм) и микротрубочки (около 25 нм).

Микрофиламенты представляют собой две спирально закрученные цепочки из мономеров актина. Они отвечают за форму клетки, участвуют в межклеточном взаимодействии, передаче сигналов и, вместе с миозином — в мышечном сокращении.

Микротрубочки — это полые цилиндры порядка 25 нанометров в диаметре, стенки которых образованы димерами тубулина. Они играют ключевую роль во внутриклеточном транспорте (выполняют роль «рельсов», по которым туда-сюда катаются пузырьки с грузами, например, неромедиаторами в нейронах) и формируют веретено деления при митозе и мейозе.

Веретено деления образуется в митозе и мейозе для обеспечения сегрегации хромосом и деления клетки. Между двумя полюсами образуется веретенообразная система микротрубочек, которые присоединяются к хроматидам в области центромер и обеспечивают движение хромосом по направлению к полюсам.

Полноценное веретено деления образуется на стадии прометафазы после разрушения ядерной мембраны, когда цитоплазматические микротрубочки и центросомы получают доступ к хромосомам и другим компонентам веретена.

Ядро — важнейший структурный компонент клетки. Оно состоит из хроматина, ядрышка, кариоплазмы и ядерной оболочки. 

Хроматином называют молекулы ДНК в комплексе со специфическими белками, основную массу которых состовляют «упаковочные белки» гистоны. В зависимости от степени упаковки хроматин подразделяется на эухроматин (работающий, а значит неупакованный) и  гетерохроматин («архивированный», как во время деления).

Ядрышко находится внутри ядра и не имеет собственной мебранной оболочки. Основной функцией ядрышка является синтез рибосом — молекулярных машин, отвечающих за синтез белка из аминокислот. Ядрышки формируются вокруг специальных участков генома, которые содержат гены рибосомной ДНК. В ядрышке происходит синтез рибосомальной РНК, ее созревание и сборка рибосомных субчастиц. Самая высокая концентрация белка в клетке наблюдается именно в ядрышке. 

Аня Савченко

Источник: nplus1.ru