Деление клеток и его значение в жизни организма

Любой сложный организм состоит из множества крошечных структурных единиц, обладающих уникальными функциями. Деление позволяет увеличить их количество в несколько раз, обеспечивая тем самым рост организма и его подготовку к дальнейшему размножению. Эти процессы, называемые в биологии митоз и мейоз, проходят особые фазы и выполняют важную роль в жизни живых существ. Биологическое значение деления клеток неоценимо, ведь без него прекратится существование жизни на Земле. Рождение потомства, его развитие, взросление и подготовка к последующему размножению — за эти важные этапы отвечают митоз и мейоз. Деление позволяет восстанавливать поврежденные ткани и органы, лечить механические повреждения покровов и производить замену уже отмершим клеткам.

Важно! Процессы митоза и мейоза происходят только в клетках эукариотов, то есть более сложных организмов, чьи клетки содержат ядро, а также мембранные органеллы. К таким живым существам относятся растения, простейшие и животные.

Все остальные организмы, или прокариоты, такие как бактерии и сине-зеленые водоросли, размножаются путем более простого деления клетки надвое, а также почкованием. Половые клетки и клетки тела не только выполняют различные функции, но и делятся по-разному:

• Митоз происходит в клетках, отвечающих за рост и восстановление тканей.
• Половые клетки, отвечающие за дальнейшую передачу генетического материала и размножение организмов, делятся мейозом.

Интерфаза, или подготовка к делению

Интерфаза наблюдается как в половых клетках, так и в клетках тела. В этом состоянии клетки находятся в периоде между делениями или на последней стадии своей жизни, когда все процессы завершены и идет подготовка к естественному отмиранию. Несмотря на то, что эту фазу называют состоянием покоя, крошечная структура выполняет важную деятельность, требующую высоких энергетических затрат. Для понятия важности интерфазы стоит указать, что она занимает до 90% времени всего клеточного цикла. Несмотря на отличия в процессах митоза и мейоза, интерфаза выполняет очень схожие роли для организма в целом.

Важно! Клетки тела также называют соматическими, а половые клетки — генеративными. И те, и другие большую часть своей жизни находятся в состоянии интерфазы.

В состоянии покоя происходит выработка ферментов и биосинтез белка, удваиваются важнейшие структуры, например, ДНК. Клетка растет, накапливает энергию, увеличивается в размерах и готовится к последующему разделению. Интерфаза происходит в несколько этапов, по завершению которых начинается митоз или мейоз.

Фазы митоза

В результате митоза из материнской соматической клетки образуются две дочерние, которые как две капли воды похожи не только между собой, но и являются копией родителя. Он проходит в различных тканях, например, мышечной, нервной, костной. Митоз состоит из четырех фаз:

• Профазы.
• Метафазы.
• Анафазы.
• Телофазы.

Каждая имеет свои особенности и поэтапные циклы, по завершению которых получаются две новые структурные единицы с сохраненным количеством хромосом. Фазы отличаются друг от друга по скорости протекания процессов.

Важно! Самой продолжительной является профаза, во время которой клетка активно запускает начало деления и подготавливает все компоненты к последующему удвоению.

Во время митоза сначала утолщаются стенки хромосом, а между центриолями образовывается веретено деления, которое будет связывать части будущих клеток. Исчезают ядрышки и ядерная мембрана. Затем хромосомы укорачиваются и постепенно расходятся к разным полюсам клетки. Делится цитоплазма, хромосомы децентрализуются, образовывая ядрышки. Ядерная оболочка утолщается, разрывается нить веретена, хромосомы окончательно деспирализуются и отделяются друг от друга. В итоге получаются две новые клетки с одинаковыми характеристиками. Таким образом, митоз позволяет организму увеличивать количество строительного материала своих тканей, сохраняя их характеристики и функции. По завершению митоза клетки снова накапливают энергию для выполнения своих обязанностей и готовятся к последующему делению.

Мейоз и его роль в процессе размножения

Этот способ деления образует уже не две, а четыре клетки, при этом в каждой вдвое уменьшается количество хромосом, но сохраняется генетическая информация. Такой набор хромосом еще называют гаплоидным.

Важно! Мейоз отличается и тем, что процесс деления происходит в два этапа, при этом каждый состоит из четырех фаз. Эти фазы называют так же, как при митозе, только, в зависимости от этапа, название фазы получает вдобавок цифру 1 или 2. Например, анафаза 1 и анафаза 2 — разные фазы, одна из которых проходит при первом этапе деления, а другая — при втором.

Перед началом мейоза половые клетки удваивают свой исходный материал. Далее начинается профаза 1, или первая фаза первого этапа, которая занимает больше всего времени и является самым сложным периодом во время всего мейоза. Первый этап имеет много сходств с митозом — хромосомы также укорачиваются, затем расходятся к полюсам с образованием новой ядерной оболочки, но с сохранением веретена деления. Иногда после этих процессов наступает очень короткий период интерфазы, но без удвоения количества ДНК. Далее начинается второй этап. Разделяется клеточный центр, ядерная оболочка снова разрушается, а перпендикулярно сохранившемуся веретену деления образуется еще одно. Хромосомы снова делятся и расходятся к полюсам, и в результате получаются четыре новых структурных единицы. Процесс мейоза настолько сложен и интересен, что для более подробного описания может понадобится еще одна статья. Если подытожить кратко, то во время мейоза образуются четыре клетки, но у каждой вдвое уменьшено количество хромосом. Получившиеся клетки готовы к оплодотворению, в результате которого при слиянии материнского и отцовского генетического материала восстанавливается диплоидность, то есть новая клетка будущего организма снова получает удвоенное количество хромосом.

Важно! Роль мейоза в размножении видов большая. Он не только позволяет передавать потомству информацию, но и при комбинации различных гамет повышает богатство генетического кода живых существ. А без уменьшения количества хромосом их количество неуклонно бы росло при последующем размножении, повышая риск мутаций и непредсказуемых патологий.

Амитоз

Говоря о делении клеток, стоит упомянуть об еще об одном довольно редком процессе. Для амитоза характерно разделение только ядра без удваивания генетического материала и образования связывающего хромосомы веретена. По завершению амитоза получается многоядерная клетка с неравномерно распределенным генетическим материалом. Амитоз до сих пор не изучен досконально. Он может наблюдаться как при стремительном восстановлении поврежденных и стареющих тканей, так и при развитии опухолей. Иногда так могут делиться большие ядра инфузорий и плацента млекопитающих.

Важно! Клетка, образовавшаяся в процессе амитоза, становится не способной к дальнейшему митозу.

Причиной, почему обычная здоровая клетка начинает делиться амитозом, может стать сбой на этапе интерфазы. Во время периода спокойствия клетка должна подготовиться к правильному делению и вырасти до необходимого размера. Если она растет слишком быстро, или процессы подготовки к делению протекают неправильно, клетка стремительно делится амитозом. Этот процесс со временем может превратиться в злокачественную опухоль. Митоз и мейоз различны по своим циклам и результатам, однако их объединяет схожее влияние на организм — помощь его клеткам производить свои маленькие копии. Без этих процессов прекратится сложная и разнообразная жизнь на Земле. Узнайте еще больше интересных фактов о митозе и мейозе из предложенного ниже видео.

Источник: nauka.club

Митотический цикл. Митоз

Митоз — основной способ деления эукариотических клеток, при котором сначала происходит удвоение, а затем равномерное распределение между дочерними клетками наследственного материала.

Митоз представляет собой непрерывный процесс, в котором выделяют четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Перед митозом происходит подготовка клетки к делению, или интерфаза. Период подготовки клетки к митозу и собственно митоз вместе составляют митотический цикл. Ниже приводится краткая характеристика фаз цикла.

Интерфаза состоит из трех периодов: пресинтетического, или постмитотического, — G₁, синтетического — S, постсинтетического, или премитотического, — G₂.

Пресинтетический период (2n 2c, где n — число хромосом, с — число молекул ДНК) — рост клетки, активизация процессов биологического синтеза, подготовка к следующему периоду.

Синтетический период (2n 4c) — репликация ДНК.

Постсинтетический период (2n 4c) — подготовка клетки к митозу, синтез и накопление белков и энергии для предстоящего деления, увеличение количества органоидов, удвоение центриолей.

Профаза (2n 4c) — демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления, «исчезновение» ядрышек, конденсация двухроматидных хромосом.

Метафаза (2n 4c) — выстраивание максимально конденсированных двухроматидных хромосом в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка), прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим — к центромерам хромосом.

Анафаза (4n 4c) — деление двухроматидных хромосом на хроматиды и расхождение этих сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки (при этом хроматиды становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами).

Телофаза (2n 2c в каждой дочерней клетке) — деконденсация хромосом, образование вокруг каждой группы хромосом ядерных мембран, распад нитей веретена деления, появление ядрышка, деление цитоплазмы (цитотомия). Цитотомия в животных клетках происходит за счет борозды деления, в растительных клетках — за счет клеточной пластинки.

Митотический цикл, митоз: 1 — профаза; 2 — метафаза; 3 — анафаза; 4 — телофаза.

Биологическое значение митоза. Образовавшиеся в результате этого способа деления дочерние клетки являются генетически идентичными материнской. Митоз обеспечивает постоянство хромосомного набора в ряду поколений клеток. Лежит в основе таких процессов, как рост, регенерация, бесполое размножение и др.

Мейоз

Мейоз — это особый способ деления эукариотических клеток, в результате которого происходит переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное. Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым предшествует однократная репликация ДНК.

Первое мейотическое деление (мейоз 1) называется редукционным, поскольку именно во время этого деления происходит уменьшение числа хромосом вдвое: из одной диплоидной клетки (2n 4c) образуются две гаплоидные (1n 2c).

Интерфаза 1 (в начале — 2n 2c, в конце — 2n 4c) — синтез и накопление веществ и энергии, необходимых для осуществления обоих делений, увеличение размеров клетки и числа органоидов, удвоение центриолей, репликация ДНК, которая завершается в профазе 1.

Профаза 1 (2n 4c) — демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления, «исчезновение» ядрышек, конденсация двухроматидных хромосом, конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер. Конъюгация — процесс сближения и переплетения гомологичных хромосом. Пару конъюгирующих гомологичных хромосом называют бивалентом. Кроссинговер — процесс обмена гомологичными участками между гомологичными хромосомами.

Профаза 1 подразделяется на стадии: лептотена (завершение репликации ДНК), зиготена (конъюгация гомологичных хромосом, образование бивалентов), пахитена (кроссинговер, перекомбинация генов), диплотена (выявление хиазм, 1 блок овогенеза у человека), диакинез (терминализация хиазм).

Метафаза 1 (2n 4c) — выстраивание бивалентов в экваториальной плоскости клетки, прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим — к центромерам хромосом.

Анафаза 1 (2n 4c) — случайное независимое расхождение двухроматидных хромосом к противоположным полюсам клетки (из каждой пары гомологичных хромосом одна хромосома отходит к одному полюсу, другая — к другому), перекомбинация хромосом.

Телофаза 1 (1n 2c в каждой клетке) — образование ядерных мембран вокруг групп двухроматидных хромосом, деление цитоплазмы. У многих растений клетка из анафазы 1 сразу же переходит в профазу 2.

Второе мейотическое деление (мейоз 2) называется эквационным.

Интерфаза 2, или интеркинез (1n 2c), представляет собой короткий перерыв между первым и вторым мейотическими делениями, во время которого не происходит репликация ДНК. Характерна для животных клеток.

Профаза 2 (1n 2c) — демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления.

Метафаза 2 (1n 2c) — выстраивание двухроматидных хромосом в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка), прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим — к центромерам хромосом; 2 блок овогенеза у человека.

Анафаза 2 (2n 2с) — деление двухроматидных хромосом на хроматиды и расхождение этих сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки (при этом хроматиды становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами), перекомбинация хромосом.

Телофаза 2 (1n 1c в каждой клетке) — деконденсация хромосом, образование вокруг каждой группы хромосом ядерных мембран, распад нитей веретена деления, появление ядрышка, деление цитоплазмы (цитотомия) с образованием в итоге четырех гаплоидных клеток.

Биологическое значение мейоза. Мейоз является центральным событием гаметогенеза у животных и спорогенеза у растений. Являясь основой комбинативной изменчивости, мейоз обеспечивает генетическое разнообразие гамет.

Амитоз

Амитоз — прямое деление интерфазного ядра путем перетяжки без образования хромосом, вне митотического цикла. Описан для стареющих, патологически измененных и обреченных на гибель клеток. После амитоза клетка не способна вернуться в нормальный митотический цикл.

Клеточный цикл

Клеточный цикл — жизнь клетки от момента ее появления до деления или смерти. Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический цикл, который включает в себя период подготовки к делению и собственно митоз. Кроме этого, в жизненном цикле имеются периоды покоя, во время которых клетка выполняет свойственные ей функции и избирает дальнейшую судьбу: гибель или возврат в митотический цикл.

 

Источник: licey.net

Жизненный цикл клетки

Жизненный цикл клетки – это время существованя клетки с момента первого деления до следующего деления, или до последнего деления (смерти клетки). 

Клетки делятся несколькими способами: 

• Амитоз. Деление клетки осуществляется в интерфазе. В данном случае хромосомы не конденсируются, не образуется веретено деления, и ядерная оболочка не распадается. При амитозе ядро вытягивается и делится на две части путём перетяжки. Таким образом делятся, например, клетки злокачественных опухолей. 
• Митоз. Непрямое деление, в результате которого, из одной клетки образуются две идентичные ей дочерние. Так делятся соматические клетки.
• Мейоз. Этот способ деления осуществляется, когда происходит образование половых гамет.

Интерфаза

Митотический цикл состоит из двух последовательных стадий.

Непосредственно перед  делением клетка проходит интерфазу, или стадию покоя, функциональное значение которой в том, что во время неё синтезируется ДНК. Длительность стадии покоя составляет 90% и более в течение всего цикла клеточного деления. 

Интерфаза представлена тремя периодами:

Период	Характеристика
Пресинтетический, или постмитотический	Обозначается G1 или q1. Продолжительность этого периода 10 часов и более. Осуществляется сразу после деления клетки. Содержание генетического набора в клетке – 2n2c, диплоидный набор хромосом, каждая из которых имеет одну хроматиду. Здесь происходит восстановление структуры интерфазной клетки: окончательно формируется ядрышко; масса клетки увеличивается за счёт синтеза белка; происходит образование ферментов, участвующих в катализе реакции репликации; синтезируется белок; увеличивается количество различных видов рибонуклеиновой кислоты (РНК). Хромосомы представлены тонкими хроматиновыми нитями, каждая нить состоит из одной хромосомы.
Синтетический	Обозначается как S.  Продолжительность 6 – 10 часов. В данном периоде происходит удвоение (репликация, дупликация) ДНК, хромосомы становятся двухроматидными. Это необходимо для последующего митотического деления клетки. Также, на этом этапе продолжается рост клетки, начавшийся в пресинтетичском периоде, синтезируется РНК, белки – гистоны, в последующем соединяющиеся с ДНК. Генетический материал – 2n4c.
Постсинтетический или премитотический	Обозначение: G2 (q2).Содержание генетической информации – 2n4c. В этом периоде осуществляется подготовка к митозу, продолжается он 2 – 5 часов. Происходит усиленное образование энергии АТФ; синтезируются белки, которые необходимы для обеспечения процесса деления и образования веретена деления; начинается спирализация хромосом; значительно увеличивается объём ядра, а, следовательно, и масса цитоплазмы. Далее клетка непосредственно переходит к стадии митоза.

Митоз – деление соматических клеток

Митоз – это непрерывный процесс деления клеток, который подразделяется на 4 последовательных стадий: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

1. Профаза. Содержание генетического материала: 2n4c. В этой фазе происходит конденсация хромосом в ядре, хроматиды спирализуются и образуется ахроматиновое веретено (веретено деления). Распадается ядерная оболочка. Ядрышки исчезают (но это необязательное условие, бывают исключения). Центриоли клеточного центра начинают расходиться к полюсам клетки и образуют центры организации микротрубочек. У высших растений нет центриолей, однако микротрубочки образуются. 
2. Метафаза. Набор хромосом: 2n4c. Характеризуется расположением сильно сконденсированных хромосом на экваторе клетки, образованием метафазной пластинки в области центромеры. Ядерная оболочка полностью исчезла. Ахроматиновое веретено полностью сформировано. Хромосомы удерживаются благодаря силе натяжения микротрубочек полюсов. Количество хромосом в эту фазу легко подсчитать, они уплотнены и имеют определённую форму. 
3. Анафаза. Содержание генетического материала: 4n4c. Самая короткая по продолжительности фаза, она начинается в момент, когда центромеры хромосом делятся на две части. Здесь происходит разделение хроматид с последующим их движением к своим полюсам и прикрепление к укороченным микротрубочкам. Расхождение происходит вследствие укорочения микротрубочек, образующих нити веретена деления. 
4. Телофаза. Содержание генетического материала: 2n2c. В этой фазе движение хромосом заканчивается, и они концентрируются на полюсах клетки и раскручиваются в тонкие нити. Формируется ядрышко, путём слияния мембранных пузырьков образуется ядерная оболочка, исчезают нити веретена деления. Образуются перетяжка, с помощью которой клетка делится на две части. 

Рис. 1 Фазы метоза

Мейоз

Мейоз – это процесс деления клетки, при котором число хромосом уменьшается вдвое, происходит образование гаплоидных клеток. 

Данный процесс проходит в  двух последовательных деления, первое из которых принято называть редукционным (мейоз I), а второе эквационным (мейоз II). Эквационное деление также можно назвать уравнительным, оно позволяет сохранить гаплоидный набор хромосом. Второе деление по механизму протекания схоже с митозом, однако здесь к полюсам расходятся сестринские хроматиды.

Так же, как и митоз, мейоз начинается после интерфазы.  Количество ДНК перед первым делением составляет 2n4c, где n – хромосомы, с – молекулы ДНК. Это обозначает, что каждая хромосома состоит из двух хроматид и имеет гомологичную пару. После первого деления, перед вторым, количество ДНК в каждой дочерней клетке уменьшается до 1n2c. Результатом мейоза после второго деления является образование четырёх гаплоидных клеток. Мейоз представлен такими же четырьмя фазами, как и митоз, однако протекающие процессы в двух этих делениях существенно отличаются. 

Мейоз I

• Профаза I. 2n4c. Это самая длительная и сложная фаза мейоза. Здесь гомологичные хромосомы сближаются, образуя так называемые биваленты, между ними происходит обмен участками ДНК. Связь бивалента сохраняется до анафазы I. Сближение хромосом называют конъюгацией, обмен участками наследственной информации – кроссинговером. Гомологичные хромосомы соединены между собой. Ядерная оболочка растворяется. Начинает своё формирование мейотическое веретено деления. Центриоли расходятся к полюсам клетки.  
• Метафаза I. 2n4c. На этом этапе веретено деления окончательно сформировано. Биваленты расположены в области экватора, при этом они выстроены друг напротив друга по экватору  так, что экваториальная плоскость оказывается между парами гомологичных хромосом. 
• Анафаза I. 2n4c. Биваленты разъединяются и хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки. Вследствие кроссинговера, прошедшего в профазе, хроматиды этих хромосом не идентичны друг другу. 
• Телофаза I. n2c×2. Хромосомы деспирализуются в хроматин. Происходит формирование ядерной оболочки, клетки делится на две части. У растений образуется клеточная стенка, у животных же происходит впячивание мембраны. 

Рис. 2 Мейоз I

 

Мейоз II

Перед эквационным делением интерфаза называется интеркинезом, так как удвоения наследственного материала (ДНК) не происходит. 

• Профаза II. 1n2c×2. Короткая по продолжительности фаза. На этом этапе разрушается ядерная оболочка, снова исчезают ядра и ядрышки,  происходит конденсация хромосом, формируется веретено деления.
• Метафаза II. 1n2c×2. К каждой из двухроматидных хромосом прикрепляются нити веретена деления с разных полюсов. В плоскости перпендикулярной экватору метафазы первого деления образуется метафазная пластинка. 
• Анафаза II. 2n2c×2. Центромеры делятся. Однохроматидные хромосомы расходятся к разным полюсам. Теперь сестринские хроматиды являются сестринскими хромосомами. 
• Телофаза II. 1n1c×4. В эту фазу происходит деспирализация хромосом, исчезает веретено деления, формируется ядерная оболочка, образуются ядра и ядрышки. Далее следует цитокинез, вследствие которого формируется 4 гаплоидные клетки с одинарным набором хромосом (1n1c). 

Рис. 3 Мейоз II

Источник: bingoschool.ru