Живые организмы состоят из клеток, рост и деление которых нуждается в запрограммированных последовательных событиях и процессах, составляющих клеточный цикл. Некоторые из этих процессов происходят непрерывно, как, например, синтез белков и липидов. Другие, как, например, синтез ДНК, носят прерывистый характер и связаны с процессом клеточного деления.

Клеточный цикл

В каждом клеточном цикле объединяются два динамических и качественно различных периода:

  • интерфаза,
  • митоз

Необходимо подчеркнуть, что процесс клеточного размножения основан на репликации ДНК, синтез которой происходит в периоде S интерфазы клеточного цикла. Интерфаза является наиболее длительным периодом клеточного цикла (90%), этот период представляет собой этап, когда клетка имеет интенсивную биосинтетическую активность (синтез ДНК, РНК, белков), обеспечивая необходимые условия для осуществления клеточного деления. Интерфаза подразделяется на три периода, известные как:


  • Период G1 – пресинтетический или постмитотический период, во время которого: — возобновляется процесс транскрипции и белкового синтеза, блокированные во время митоза; — происходит деконденсация хроматина – важный процесс для активации транскрипции генов; — происходит реорганизация ядрышек; — клетка содержит диплоидный набор монохроматидных хромосом (2n = 2с).
  • Период S – синтетический период, характеризуется: — полуконсервативной асинхронной репликацией молекул ДНК; — удвоением количества ДНК; — двухроматидными хромосомами (2n = 4с); — параллельным синтезом гистоновых и негистоно- вых белков, участвующих в синтезе и упаковке ДНК; — удвоением центриолей.
  • Период G2 – постсинтетический или премитотический, в котором процессы транскрипции и белкового синтеза происходят с той же интенсивностью, что и в периоде G1, это обеспечивает необходимые условия для митоза.

Митоз и цитокинез. Клеточное деление начинается делением ядра (митоз) и завершается делением цитоплазмы (цитокинез). Митоз и цитокинез занимают короткий период клеточного цикла (10%) и носят название митотического периода. Митоз, однажды начавшись, представляет собой непрерывный процесс. Однако для изучения и описания его условно подразделяют на четыре этапа:

  • профазу,
  • метафазу,
  • анафазу,
  • телофазу.

Профаза характеризуется наличием в ядре двухроматидных хромосом. Эти хроматиды, соединенные на уровне центромеры, представляют собой цитологическую картину процесса репликации ДНК. Хромосомы сильно конденсируются, утолщаются и становятся видимыми; по обе стороны центромеры образуются по одному кинетохору. В конце профазы исчезает ядрышко и диссоциирует ядерная оболочка. Одновременно организуется аппарат деления: центриоли перемещаются к противоположным полюсам клетки, формируется веретено деления путем сборки микротрубочек.

 Метафаза. Нити веретена деления связывают центриоль и хромосому с помощью кинетохоров. Хромосомы, соединенные с веретеном деления, располагаются в экваториальной плоскости, образуют метафазную пластинку. На этой стадии хромосомы максимально спирализованы и представляют собой оптимальную форму для цитологического изучения.

Анафаза начинается с продольного разделения центромеры каждой хромосомы, расхождения сестринских хроматид и завершается одновременной их миграцией к противоположным полюсам клетки. На этом этапе хромосомы становятся монохроматидными, и клетка содержит тетраплоидный набор хромосом (4n = 4с).


Телофаза. В телофазе заканчивается миграция хромосом к полюсам клетки, у каждого полюса содержится 2n монохроматидных хромосом (диплоидный набор). Начинается прогрессирующая деспирализация хромосом и возврат наследственного материала в состояние интерфазного хроматина. Нити веретена деления диссоциируют, вновь появляются ядерные мембраны вокруг каждой группы хромосом, вновь организуются ядрышки.

Цитокинез завершает процесс деления. Происходит разделение цитоплазматической массы на две половины и разделение клеточных органелл. Каждая дочерняя клетка наследует в результате цитокинеза набор клеточных компонентов. Увеличение количества всех компонентов клетки не требует точного контроля. Если в клетке имеется много молекул или органелл определенного типа, то достаточно того, чтобы число их приблизительно удвоилось за цикл, и они затем примерно поровну разделились между двумя дочерними клетками. Рост органелл происходит задолго до начала цитокинеза. Увеличение количества клеточных органелл реализуется различными путями. Митохондрии растут и делятся полуавтономно, аппарат Гольджи и ЭПС фрагментируются на пузырьки, которые служат для образования новых клеточных органелл, в то время как рибосомы размножаются путем образования комплекса рРНК и рибосомальных белков. В отношении ДНК такое удвоение и распределение должно быть совершенно точно, и для этого нужен специальный механизм: репликация ядерной ДНК. Этот механизм обеспечивает образование генетически идентичных клеток, как между собой, так и с материнской клеткой.

iv>

Митотическое деление является основой размножения соматических клеток, обеспечивает эмбриогенез, рост многоклеточного организма, определяет биомассу организма и регенерацию тканей.

В настоящее время цитометрию принято подразделять на:

  • проточную,
  • статическую.

Первый вариант цитометрии осуществляется с помощью специальных приборов – проточных цитометров и сортеров. Для статической цитометрии могут быть использованы конфокальные микроскопы, а также более простые и дешевые системы анализа изображений, смонтированные на обычных люминесцентных микроскопах.

Существует много методик, которые с одинаковым успехом можно воспроизводить как с помощью проточной, так и статической цитометрии. Более того, статическая цитометрия в некоторых случаях позволяет получить более обширную информацию о клетках, причем ее производительность ненамного меньше проточной.

Метод проточной цитометрии сформировался за последние 30 лет на основе отдельных опытов по подсчету числа частиц и определению их размеров.

В настоящее время выпускают два основных типа приборов для проточной цитометрии :


  • простые в использовании аппараты, которые могут измерять флуоресценцию при двух и более длинах волн и светорассеяние под углом около 10º (малоугловое прямое рассеяние) и 90º;
  • большие клеточные сортеры, которые не только измеряют пять и более клеточных или ядерных параметров, но и сортируют частицы с заданным набором этих параметров.

Принципы проточной цитометрии весьма просты. Клетки или ядра поодиночке пересекают сфокусированный световой пучок, обычно лазерный. Свет определенной длины возбуждает молекулы флуоресцирующих красителей, связанных с различными клеточными компонентами, при этом при этом может происходить одновременное возбуждение нескольких разных красителей, что позволяет оценить сразу несколько клеточных параметров. Свет, испускаемый красителями, собирают с помощью системы линз и зеркал и разлагают на компоненты. Световые сигналы детектируют, преобразуют в электрические импульсы и далее в форму, удобную для компьютерной обработки и хранения информации.

Методом проточной цитометрии можно получать самые разные данные:

  • определять содержание в клетке ДНК и РНК, суммарное количество белков и количество специфических белков, узнаваемых моноклональными антителами,
  • исследовать клеточный метаболизм (например, измерять внутриклеточный рН), изучать транспорт ионов кальция и кинетику ферментативных реакций.
>

Источник: vseobiology.ru

Интерфаза. Периоды интерфазы

Началом интерфазы и всего клеточного цикла можно считать момент окончания предыдущего цитокинеза.

Первый период интерфазы – пресинтетический, или $G_1$. На протяжении этого периода генетическая информация, закодированная в ДНК, находится в состоянии максимального функционирования – ДНК руководит синтезом РНК и белков. В этот период, который является наиболее длительным, клетки растут, дифференцируются и выполняют свои функции. В ядрах таких клеток содержится диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной молекулы ДНК. Генетическая формула клетки в этот период – $2n2c$, где $n$ – гаплоидный набор хромосом, $c$ – количество копий ДНК.

Во время следующего, синтетического, периода ($S$) синтезируется и удваивается ДНК. В результате каждая хромосома уже состоит из двух хроматид, из двух дочерних молекул ДНК, соединённых в участке центромеры. Количество генов увеличивается вдвое. Удваивается и количество белков хроматина. Генетическая формула в этот период – $2n4c$.

Репликация ДНК является очень важным моментом во время подготовки клетки к делению. Только репликация лежит в основе как бесполого, так и полового размножения, а, значит, и непрерывности жизни.


Начало синтеза ДНК является началом $S$-периода. После начала удвоения ДНК клетка уже не может возвратиться к $G_1$- периоду и обязательно должна поделиться.

Момент начала фазы $S$ называется точкой рестрикции. Синтез ДНК запускается с появлением специальных сигнальных молекул белков-активаторов $S$-фазы. В конце $S$- фазы, после полной репликации ДНК, белок-активатор разрушается, и клетка может переходить к следующему периоду. Клетки, не имеющие «разрешения» на деление, не способны пройти точку рестрикции. Такие клетки на определённый период времени останавливаются в состоянии «покоя» — в $G_0$-фазе, поддерживая метаболизм и выполняя свои функции.

Нейроны и мышечные клетки могут функционировать на протяжении всей жизни организма.

В постсинтетическом периоде $G_2$ клетки готовятся к митозу. Происходит постепенное разрушение цитоскелета, начинается конденсация и спирализация хроматина. Усиливается синтез АТФ, белков, РНК, липидов и углеводов. Формируются новые органеллы клетки. Размеры клетки значительно увеличиваются. Синтезируются специальные белки-регуляторы, которые способствуют переходу клетки из фазы $G_2$ к делению. Период $G_2$ переходит в профазу митоза. Это тот момент клеточного цикла, когда впервые в световой микроскоп можно увидеть хромосомы, сформировавшиеся из хроматина.

Жизненный цикл клеток многоклеточного организма контролируется окружающими клетками и гуморальными факторами организма. Существенную роль в регуляции играют также специальные белки, которые образуются клеткой под влиянием собственной генетической программы.


К числу важнейших изменений в клетке, которые происходят в интерфазе и готовят клетку к делению, относятся спирализация и сокращение половинок хромосом (хроматид), удвоение уентриолей, синтез белков будущего ахроматинового веретена, синтез высокоэнергетических соединений (в основном, АТФ). Клетка завершает свой рост и готова вступить в профазу следующего митоза.

Цитокинез

Следующий после митоза этап клеточного цикла — цитокинез – деление цитоплазмы.

По экватору материнской клетки животных организмов образуется перетяжка. Эта структура образуется ещё в телофазе митоза. Перетяжка деления формируется из микрофилламентов цитоскелета, которые образуют сократительное кольцо. Оно постепенно уменьшается, и перетяжка всё более углубляется по всему периметру. Через некоторое время материнская клетка делится на две дочерние. В образовании перетяжки и её углублении, а также в полном делении дочерних клеток активное участие берёт цитоскелет. После цитокинеза обе доерние клетки содержат все компоненты материнской клетки.

Источник: spravochnick.ru

Общая характеристика

Интерфаза — самая продолжительная часть клеточного цикла. Исключение составляет сильно укороченный интеркинез между первым и вторым делениями мейоза. Примечательной особенностью данного этапа является также то, что здесь не происходит дуплицирование хромосом, как в интерфазе митоза. Эта особенность связана с необходимостью уменьшения диплоидного набора хромосом до гаплоидного. В некоторых случаях межмейотический интеркинез может полностью отсутствовать.

Стадии интерфазы

Интерфаза — это обобщенное название трех следующих друг за другом периодов:

  • пресинтетического (G1);
  • синтетического (S);
  • постсинтетического (G2).

В клетках, не выпадающих из цикла, стадия G2 непосредственно переходит в митоз и потому иначе называется премитотической.

G1 — это этап интерфазы, наступающий сразу после деления. Поэтому клетка имеет вдвое меньший размер, а также пониженное примерно в 2 раза содержание РНК и белков. На протяжении всего пресинтетического периода происходит восстановление всех компонентов до нормы.

За счет накопления белка клетка постепенно растет. Происходит достройка необходимых органелл и увеличение объема цитоплазмы. Одновременно с этим растет процентное содержание различных РНК и синтезируются ДНК-предшественники (нуклеотидтрифосфаткиназы и др.). По этой причине блокировка продуцирования информационных РНК и протеинов, характерных для G1, исключает переход клетки к S-периоду.

На этапе G1 отмечается резкое повышение энзимов, задействованных в энергетическом обмене. Период также характеризуется высокой биохимической активностью клетки, а накопление структурно-функциональных компонентов дополняется запасанием большого количества молекул АТФ, которые будут служить энергетическим резервом для последующей перестройки хромосомного аппарата.

Синтетический этап


В S-период интерфазы происходит ключевой момент, необходимый для деления, — репликация ДНК. При этом удваиваются не только генетические молекулы, но и число хромосом. В зависимости от времени осмотра клетки (в начале, в середине либо в конце синтетического периода) можно обнаружить количество ДНК от 2 до 4 с.

S-этап представляет собой ключевой переходный момент, который «решает», наступит ли деление. Единственным исключением из этого правила является интерфаза между мейозами I и II.

В клетках, постоянно находящихся в состоянии интерфазы, S-период не наступает. Таким образом, клетки, которые не будут делиться снова, останавливаются на стадии с особым названием — G0.

Постсинтетический этап

Период G2 — окончательный этап подготовки к делению. На этой стадии осуществляется синтез молекул информационных РНК, необходимых для прохождения митоза. Одним из ключевых белков, которые продуцируются в это время, являются тубулины, служащие строительным материалом для формирования веретена деления.

На границе между постсинтетическим этапом и митозом (или мейозом) синтез РНК резко снижается.

Что такое клетки G0

Для некоторых клеток интерфаза — это постоянное состояние. Оно характерно для некоторых составляющих специализированных тканей.

Состояние неспособности к делению условно обозначается стадией G0, поскольку G1-период также считается фазой подготовки к митозу, хоть и не включает связанные с этим морфологические перестройки. Таким образом, G0-клетки считаются выпавшими из цитологического цикла. При этом состояние покоя может быть как постоянным, так и временным.

В фазу G0 чаще всего переходят клетки, завершившие дифференциацию и специализировавшиеся на конкретных функциях. Однако в некоторых случаях такое состояние обратимо. Так, например, клетки печени при повреждении органа могут восстанавливать способность к делению и переходить из состояния G0 в период G1. Этот механизм лежит в основе регенерации организмов. В нормальном состоянии большая часть клеток печени находится в фазе G0.

В некоторых случаях G0-состояние является необратимым и сохраняется до цитологической смерти. Такое характерно, например, для ороговевающих клеток эпидермиса или кардиомиоцитов.

Иногда, наоборот, переход в G0-период вовсе не означает потерю способности к делению, а лишь предусматривает планомерную приостановку. К этой группе относят камбиальные клетки (например, стволовые).

Источник: fb.ru

Жизненный цикл клетки, или клеточный цикл, – это промежуток времени, в течение которого клетка существует как единица, т. е. период жизни клетки. Он длится от момента появления клетки в результате деления ее материнской и до конца деления ее самой, когда она «распадается» на две дочерние.

Бывают случаи, когда клетка не делится. Тогда ее жизненный цикл — это период от появления клетки до гибели. Обычно не делятся клетки ряда тканей многоклеточных организмов. Например, нервные клетки и эритроциты.

Принято в жизненном цикле клеток эукариот выделять ряд определенных периодов, или фаз. Они характерны для всех делящихся клеток. Фазы обозначают G1, S, G2, M. Из фазы G1 клетка может уходить в фазу G0, оставаясь в которой, она не делится и во многих случаях дифференцируется. При этом некоторые клетки могут возвращаться из G0 в G1 и пройти по всем этапам клеточного цикла.

Буквы в аббревиатурах фаз – это первые буквы английских слов: gap (промежуток), synthesis (синтез), mitosis (митоз).

Делящиеся клетки, подсвеченные разными индикаторами в разные фазы жизненного цикла
Красным флуоресцентным индикатором клетки подсвечиваются в фазу G1. Остальные фазы клеточного цикла — зеленым.

Период G1 – пресинтетический – начинается сразу как только клетка появилась. В этот момент она меньше по размеру, чем материнская, в ней мало веществ, недостаточно количество органоидов. Поэтому в G1 происходит рост клетки, синтез РНК, белков, построение органелл. Обычно G1 – самая длительная фаза жизненного цикла клетки.

S – синтетический период. Самый главный его отличительный признак – удвоение ДНК путем репликации. Каждая хромосома становится состоящей из двух хроматид. В этот период хромосомы по-прежнему деспирализованы. В хромосомах, кроме ДНК, много белков-гистонов. Поэтому в S-фазу гистоны синтезируются в большом количестве.

В постсинтетический период – G2 – клетка готовится к делению, обычно путем митоза. Клетка продолжает расти, активно идет синтез АТФ, могут удваиваться центриоли.

Далее клетка вступает в фазу клеточного деления – M. Здесь происходит деление клеточного ядра – кариокинез, после чего деление цитоплазмы – цитокинез. Завершение цитокинеза знаменует завершение жизненного цикла данной клетки и начало клеточных циклов двух новых.

Фаза G0 иногда называют периодом «отдыха» клетки. Клетка «выходит» из обычного цикла. В этот период клетка может приступить к дифференциации и уже никогда не вернуться к обычному циклу. Также в фазу G0 могут входить стареющие клетки.

Диаграмма последовательности и длительности фаз клеточного цикла

Переход в каждую последующую фазу цикла контролируется специальными клеточными механизмами, так называемыми чекпоинтами – контрольными точками. Чтобы наступила следующая фаза, в клетке должно быть все готово для этого, в ДНК не содержаться грубых ошибок и др.

Фазы G0, G1, S, G2 вместе формируют интерфазу — I.

Источник: biology.su