Жизненный цикл клетки
Закономерности существования клетки во времени
Способность клетки к репродукции – одно из фундаментальных свойств живого. Деление клеток лежит в основе эмбриогенеза и регенерации.
Закономерные изменения структурно-функциональных характеристик клетки во времени составляют содержание жизненного цикла клетки (клеточного цикла). Клеточный цикл - это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.
Важным компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл - комплекс взаимосвязанных и согласованных во времени событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специфических функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определенном функциональном направлении.
Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от 10 до 50 ч. Величина его значительно варьирует: для бактерий это 20-30 минут, для туфельки 1-2 раза в сутки, для амебы около 1,5 суток. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов. Клетки многоклеточных обладают также разной способностью к делению. В раннем эмбриогенезе они делятся часто, а во взрослом организме большей частью утрачивают эту способность, так как становятся специализированными. Но даже в организме, достигшем полного развития, многие клетки должны делиться, чтобы замещать изношенные клетки, которые постоянно слущиваются и, наконец, нужны новые клетки для заживления ран.
Следовательно, у некоторых популяций клеток деления должны происходить в течение всей жизни. Учитывая это, все клетки можно разделить на три категории:
1. В организме высших позвоночных не все клетки постоянно делятся. Есть специализированные клетки, потерявшие способность к делению (нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, нервные клетки). К моменту рождения ребенка нервные клетки достигают высокоспециализированного состояния, утрачивая способность к делению, В процессе онтогенеза количество их непрерывно уменьшается. Это обстоятельство имеет и одну хорошую сторону; если бы нервные клетки делились, то высшие нервные функции (память, мышление) нарушились бы.
2. Другая категория клеток тоже высокоспециализированная, но в силу их постоянного слущивания замещаются новыми и эту функцию выполняют клетки этой же линии, но еще не специализированные и не утратившие способность делиться. Эти клетки называют обновляющимися. Примером являются постоянно обновляющиеся клетки кишечного эпителия, кроветворные клетки. Даже клетки костной ткани способны образовываться из неспециализированных (это можно наблюдать при репаративной регенерации костных переломов). Популяции неспециализированных клеток, сохраняющие способность к делению называются, как правило, стволовыми.
3. Третья категория клеток - исключение, когда высокоспециализированные клетки при определенных условиях могут вступить в митотический цикл. Речь идет о клетках, отличающихся большой продолжительностью жизни и где после полного завершения роста деление клеток происходит редко. Примером являются гепатоциты. Но если у экспериментального животного удалить 2/3 печени, то менее чем за две недели она восстанавливается до прежних размеров. Такими же являются и клетки желез, вырабатывающих гормоны: в нормальных условиях лишь немногие из них способны воспроизводиться, а при измененных условиях большинство из них могут начать делиться.
По двум главным событиям митотического цикла в нем выделяют репродуктивную и разделительную фазы, соответствующие интерфазе и митозу классической цитологии.
В начальный отрезок интерфазы (у эукариот 8-10 часов ) (постмитотический, пресинтетический, или G 1 -период) восстанавливаются черты организации интерфазной клетки, завершается формирование ядрышка, начавшееся еще в телофазе. Из цитоплазмы в ядро поступает значительное (до 90%) количество белка. В цитоплазме параллельно реорганизации ультраструктуры интенсифицируется синтез белка. Это способствует росту массы клетки. Если дочерней клетке предстоит вступить в следующий митотический цикл, синтезы приобретают направленный характер: образуются химические предшественники ДНК, ферменты, катализирующие реакцию редупликации ДНК, синтезируется белок, начинающий эту реакцию. Таким образом, осуществляются процессы подготовки следующего периода интерфазы - синтетического. Клетки имеют диплоидный набор хромосом 2n и 2c генетического материала ДНК (генетическая формула клетки).
В синтетическом или S-периоде (6-10 ч) удваивается количество наследственного материала клетки. За малыми исключениями редупликация (иногда удвоение ДНК обозначают термином репликация, оставляя термин редупликация для обозначения удвоения хромосом.) ДНК осуществляется полуконсервативным способом. Он заключается в расхождении биспирали ДНК на две цепи с последующим синтезом возле каждой из них комплементарной цепочки. В результате возникают две идентичные биспирали. Молекулы ДНК, комплементарные материнским, образуются отдельными фрагментами по длине хромосомы, причем неодномоментно (асинхронно) в разных участках одной хромосомы, а также в разных хромосомах. Затем участки (единицы репликации - репликоны ) новообразованной ДНК «сшиваются» в одну макромолекулу. В клетке человека содержится более 50 000 репликонов. Длина каждого из них около 30 мкм. Число их меняется в онтогенезе. Смысл редупликации ДНК репликонами становится понятным из следующих сопоставлений. Скорость синтеза ДНК составляет 0,5 мкм/мин. В этом случае редупликация нити ДНК одной хромосомы человека длиной около 7 см должна была бы занять около трех месяцев. Участки хромосом, в которых начинается синтез, называют точками инициации . Возможно, ими являются места прикрепления интерфазных хромосом к внутренней мембране ядерной оболочки. Можно думать, что ДНК отдельных фракций, о которых речь пойдет ниже, редуплицируется в строго определенной фазе S-периода. Так, большая часть генов рРНК удваивает ДНК в начале периода. Редупликация запускается поступающим в ядро из цитоплазмы сигналом, природа которого не выяснена. Синтезу ДНК в репликоне предшествует синтез РНК. В клетке, прошедшей S-период интерфазы, хромосомы содержат удвоенное количество генетического материала. Наряду с ДНК в синтетическом периоде интенсивно образуются РНК и белок, а количество гистонов строго удваивается.
Примерно 1% ДНК животной клетки находится в митохондриях. Незначительная часть митохондриальной ДНК редуплицируется в синтетическом, тогда как основная - в постсинтетическом периоде интерфазы. Вместе с тем известно, что продолжительность жизни митохондрий печеночных клеток, например, составляет 10 сут. Учитывая, что в обычных условиях гепатоциты делятся редко, следует допустить, что редупликация ДНК митохондрий может происходить независимо от стадий митотического цикла. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид (2n) , содержит ДНК 4c.
Отрезок времени от окончания синтетического периода до начала митоза занимает постсинтетический (предмитотический), или G 2 -neриод интерфазы (2n и 4c ) (3-6 ч). Он характеризуется интенсивным синтезом РНК и особенно белка. Завершается удвоение массы цитоплазмы по сравнению с началом интерфазы. Это необходимо для вступления клетки в митоз. Часть образуемых белков (тубулины) используется в дальнейшем для построения микротрубочек веретена деления. Синтетический и постсинтетический периоды связаны с митозом непосредственно. Это позволяет выделить их в особый период интерфазы - препрофазу .
Существуюттри способа деления клетки: митоз, амитоз, мейоз.
1. Дайте определения понятий.
Интерфаза
– фаза подготовки к митотическому делению, когда происходит удвоение ДНК.
Митоз
– это деление, в результате которого происходит строго одинаковое распределение точно скопированных хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает образование генетически идентичных клеток.
Жизненный цикл
– период жизни клетки от момента ее возникновения в процессе деления до гибели или конца последующего деления.
2. Чем рост одноклеточных организмов отличается от роста многоклеточных?
Рост одноклеточного организма – это увеличение размеров и усложнение строения отдельной клетки, а рост многоклеточных – это также и активное деление клеток – увеличение их количества.
3. Почему в жизненном цикле клетки обязательно существует интерфаза?
В интерфазе происходит подготовка к делению и удвоение ДНК. Если бы его не происходило, то при каждом делении клетки количество хромосом уменьшалось бы вдвое, и довольно скоро в клетке вообще бы не осталось хромосом.
4. Заполните кластер «Фазы митоза».
5. Используя рисунок 52 в § 3.4, заполните таблицу.
6. Составьте синквейн к термину «митоз».
Митоз
Четырехфазный, равномерный
Делит, распределяет, дробит
Поставляет генетический материал дочерним клеткам
Клеточное деление.
7. Установите соответствие между фазами митотического цикла и событиями, происходящими в них.
Фазы
1. Анафаза
2. Метафаза
3. Интерфаза
4. Телофаза
5. Профаза
События
A. Клетка растет, образуются органоиды, удваивается ДНК.
Б. Хроматиды расходятся и становятся самостоятельными хромосомами.
B. Начинается спирализация хромосом, разрушается ядерная оболочка.
Г. Хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Нити веретена деления присоединяются к центромерам.
Д. Исчезает веретено деления, формируются ядерные оболочки, хромосомы раскручиваются.
8. Почему завершение митоза – деление цитоплазмы происходит по-разному в животных и растительных клетках?
В животных клетках нет клеточной стенки, у них клеточная мембрана впячивается внутрь, и клетка делится путем перетяжки.
В клетках растений мембрана формируется в экваториальной плоскости внутри клетки и, распространяясь к периферии, делит клетку пополам.
9. Почему в митотическом цикле интерфаза занимает гораздо более продолжительное время, чем само деление?
Во время интерфазы клетка усиленно готовится к митозу, в ней идут процессы синтеза, удвоение ДНК, клетка растет, проходит ее жизненный цикл, не включая само деление.
10. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
В результате митоза из одной диплоидной клетки образуются:
4) 2 диплоидные клетки.
Тест 2.
Деление центромер и расхождение хроматид к полюсам клетки происходит в:
3) анафазе;
Тест 3.
Жизненный цикл - это:
2) жизнь клетки от деления до конца следующего деления или смерти;
Тест 4.
Какой термин написан с орфографической ошибкой?
4) телафаза.
11. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.
12. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – интерфаза.
Соответствие. Термин соответствует, и означает период между фазами митоза, когда происходит подготовка к делению.
13. Сформулируйте и запишите основные идеи § 3.4.
Жизненный цикл – это жизнь клетки от деления до конца следующего деления или смерти. Между делениями клетка подготавливается к нему в период интерфазы. В это время происходит синтез веществ, удвоение ДНК.
Клетка делится митозом. Он состоит из 4 стадий:
Профаза.
Метафаза.
Анафаза.
Телофаза.
Цель митоза: в результате его из 1 материнской клетки образуются 2 дочерние с идентичным набором генов. Количество генетического материала и хромосом при этом остается одинаковым, обеспечивается генетическая стабильность клеток.
3.4. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ
Увеличение числа клеток происходит путем деления исходной клетки. Обычно делению клеток предшествует редупликация хромосомного аппарата, синтез ДНК.
Время существования клетки от деления до следующего деления или смерти называют клеточным (жизненным) циклом.
В течение жизни клетки растут, дифференцируются, выполняют определенные функции, размножаются, гибнут.
В клеточном цикле можно выделить митотический цикл, включающий подготовку клеток к делению и само деление. В жизненном цикле есть периоды, когда клетки выполняют определенные функции (рис. 53).
Рис. 53. Схема взаимоотношений между митотическим циклом и жизненным циклом клетки (из Цанева и Маркова, 1964). Внутренний круг представляет цикл размножения клеток, начинающих подготовку к новому митотическому циклу сразу после завершения деления. Показан возможный исход митотического цикла; а - образование двух новых (дочерних) клеток; б - деление ядра без разделения клеточного тела - образование многоядерной клетки; в - протекание митоза только до стадии метафазы без расхождения хромосом - полиплоидия; г - редупликация ДНК и увеличение клеточной массы без вступления в митоз - политения. На внешнем круге представлена дифференцирующаяся клетка с возможными исходами дифференцировки. 1 - смерть клетки, 2 - окончательная специализация с потерей способности клетки к митотическому делению, 3 - вступление клетки в цикл деления без дедифференцировки, 4 - дедифференцировка с последующим вступлением клетки в митотический цикл. 2с и 4с - диплоидное и тетраплоидное количество ДНК, 2n и 4n - диплоидный и тетраплоидный набор хромосом.
В, организме высших позвоночных не все клетки постоянно делятся. Есть специализированные клетки, потерявшие способность к делению (нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, нервные клетки). Другие клетки способны постоянно делиться. Они обнаружены в обновляющихся тканях (эпителиальных), в кроветворных органах. Например, клетки покровного эпителия, кроветворные клетки костного мозга могут постоянно делиться, заменяя погибшие.
Многие клетки, не размножающиеся в обычных условиях, начинают делиться в процессе восстановления после повреждения органа и репаративной регенерации органов и тканей.
Клетки, находящиеся в клеточном цикле, содержат различное количество ДНК, в зависимости от стадии этого цикла.
Мужские и женские половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом (n ) и количество ДНК (с). При оплодотворении происходит слияние этих клеток, в результате чего образуется диплоидная клетка с 2n набором хромосом и 4с количеством ДНК.
Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. Клетки к делению приступают только после этого периода.
3.4.1. ПОДГОТОВКА КЛЕТКИ К ДЕЛЕНИЮ
В клеточном цикле можно выделить собственно митоз и интерфазу, включающую пресинтетический (постмитотический) — G 1 период, синтетический (S ) период и постсинтетический (премитотический) - G 2 период (рис. 54).
Рис. 54. Митотический цикл диплоидной клетки (схема). G 0 - период жизнедеятельности клетки без процессов подготовки к делению; G 1 - пресинтетический (постмитотический) период. Митоз: П - профаза; М - метафаза, А - анафаза, Т - телофаза; n - гаплоидный набор хромосом; 2n - диплоидный набор хромосом; 4n - тетроидный набор хромосом; c - количество ДНК, соответствующее гаплоидному набору хромосом. Вне круга схематично показаны изменения хромосом в различные периоды жизненного цикла клетки.
Подготовка клетки к делению происходит в интерфазе. Пресинтетический период интерфазы - самый длительный. Он может продолжаться у эукариот от 10 часов до нескольких суток (рис. 55).
Рис. 55. Клеточный цикл у эукариот.
В пресинтетическом периоде (G 1), наступающем сразу после деления, клетки имеют диплоидный (2n ) набор хромосом и 2с генетического материала ДНК. В этот период начинается рост клеток, синтез белков, РНК. Происходит подготовка клеток к синтезу ДНК (S -период). Повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене (рис. 56).
Рис. 56. Репликация ДНК и хромосомы. 1 - Двойная спираль раскручивается, и пары оснований разделяются ферментом ДНК - геликазой. 2 - Нуклеотиды располагаются напротив комплементарных им нуклеотидов (А - Т, Г - Ц) на матричной цепи ДНК, создаются водородные связи, и нуклеотиды ковалентно связываются при помощи фермента ДНК - полимеразы. 3 - Две дочерние цепи ДНК синтезируются различными способами - одна сразу создается как непрерывная цепь, а другая синтезируется короткими участками, которые затем связываются воедино ДНК - лигазой. 4 - Приток свободных нуклеотидов для создания новых молекул ДНК вдоль раскрученной матрицы ДНК. 5 - Каждая копия двойной спирали ДНК составляется из одной родительской и одной дочерней цепи - этот процесс называется полуконсервативной репликацией.
В S -периоде (синтетическом) происходит репликация молекул ДНК, синтез белков - гистонов, с которыми связана каждая нить ДНК. Синтез РНК увеличивается соответственно количеству ДНК. При репликации две спирали молекулы ДНК раскручиваются, рвутся водородные связи, и каждая становится матрицей для воспроизводства новых цепей ДНК. Синтез новых молекул ДНК осуществляется при участии ферментов. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую и одну новую спираль. Новые молекулы идентичны старым. Такой способ репликации называют полуконсервативным . В S -периоде начинается удвоение центриолей.
Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, содержит ДНК 4с. Число хромосом не меняется (2n ).
Продолжительность синтеза ДНК - S -период митотического цикла - длится 6-12 часов у млекопитающих.
В постсинтетический период (G 2) происходит синтез РНК, накапливается энергия АТФ, необходимая для деления клетки, завершается удвоение центриолей, митохондрий, пластид, синтезируются белки, из которых строится ахроматиновое веретено деления, заканчивается рост клетки. Ни содержание ДНК (4с), ни число хромосом (2n ) не изменяется (рис. 57).
Рис. 57. Центросомный цикл. В интерфазной клетке центросома удваивается с образованием двух полюсов митотического веретена. В большинстве животных (но не растительных) клеток пара центриолей (показанных как пара коротких черных отрезков) погружена в материал центросомы (выделен цветом), от которого растут микротрубочки. В определенный момент фазы G 1 две центриоли расходятся на несколько микрон. В течение фазы S возле каждой старой центриоли под прямым углом к ней начинает формироваться дочерняя центриоль. Рост дочерних центриолей обычно завершается в фазе G 2 . Вначале обе пары центриолей остаются погруженными в единую массу центросомного материала, образующего одну центросому. В ранней фазе М каждая пара центриолей становится частью отдельного центра организации микротрубочек, от которого отходит радиальный пучок микротрубочек - звезда. Две звезды, первоначально лежавшие бок о бок около ядерной оболочки, теперь отходят друг от друга. В поздней профазе пучки полюсных микротрубочек, принадлежащие двум звездам и взаимодействующие между собой, избирательно удлиняются, по мере того как два центра расходятся по двум сторонам ядра. Таким способом быстро формируется митотическое веретено.
Продолжительность этого периода - 3-6 часов. Длительность клеточного цикла разная у разных клеток, но постоянна для данной ткани.
Например, в культуре раковых клеток человека длительность G 1 -периода равна 8,5 часов, S - 6,2 часа, G 2 - 4,6 часов. Длительность митоза составляет 0,6 часа. Весь клеточный цикл длится 19,9 часов.
В клеточном цикле можно выделить собственно митоз и интерфазу, включающую пресинтетический (постмитотический) - G1 период, синтетический (S) период и постсинтетический (премитотический) - G2 период. Подготовка клетки к делению происходит в интерфазе. Пресинтетический период интерфазы - самый длительный. Он может продолжаться у эукариот от 10 часов до нескольких суток В пресинтетическом периоде (G1), наступающем сразу после деления, клетки имеют диплоидный (2n) набор хромосом и 2с генетического материала ДНК. В этот период начинается рост клеток, синтез белков, РНК. Происходит подготовка клеток к синтезу ДНК (S-период). Повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене В S-периоде (синтетическом) происходит репликация молекул ДНК, синтез белков - гистонов, с которыми связана каждая нить ДНК. Синтез РНК увеличивается соответственно количеству ДНК. При репликации две спирали молекулы ДНК раскручиваются, рвутся водородные связи, и каждая становится матрицей для воспроизводства новых цепей ДНК. Синтез новых молекул ДНК осуществляется при участии ферментов. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает одну старую и одну новую спираль. В S-периоде начинается удвоение центриолей. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, содержит ДНК 4с. Число хромосом не меняется (2n). Продолжительность синтеза ДНК - S-период митотического цикла - длится 6 - 12 часов у млекопитающих. В постсинтетический период (G2) происходит синтез РНК, накапливается энергия АТФ, необходимая для деления клетки, завершается удвоение центриолей, митохондрий, пластид, синтезируются белки, из которых строится ахроматиновое веретено деления, заканчивается рост клетки.
Клеточное ядро Ядро было открыто и описано в 1833 г. англичанином Р. Броуном. Ядро присутствует во всех эукариотических клетках, за исключением зрелых эритроцитов и ситовидных трубок растений. Ядро необходимо для жизни клетки. В ядре хранится наследственная информация, заключенная в ДНК. Эта информация, благодаря ядру, при делении клетки передается дочерним клеткам. Ядро определяет специфичность белков, синтезируемых в клетке. В ядре содержится множество белков, необходимых для обеспечения его функций. В ядре синтезируется РНК. Ядро имеет ядерную оболочку, отделяющую его от цитоплазмы, кариоплазму (ядерный сок), одно или несколько ядрышек, хроматин. Ядерный сок (кариоплазма) - внутреннее содержимое ядра, представляет собой раствор белков, нуклеотидов, ионов, более вязкий, чем гиалоплазма. В нем присутствуют также фибриллярные белки. В кариоплазме находятся ядрышки и хроматин. В ядрышках происходит синтез р–РНК, других видов РНК и образование субъединиц рибосом. Хроматин (окрашенный материал) – плотное вещество ядра. В состав хроматина входят молекулы ДНК в комплексе с белками (гистонами и негистонами), РНК. Молекулы ДНК, содержащие наследственную информацию, способны удваиваться при репликации, и возможна передача (транскрипция) генетической информации с ДНК на и–РНК. Во время деления ядра хроматин окрашивается интенсивнее, происходит его конденсация – образование более спирализованных (скрученных) нитей, называе- мых хромосомами. Хромосомы синтетически неактивны. Каждая хромосома в метафазе митоза состоит из двух хроматид,образовавшихся в результате редупликации, и соединенных центромерой (первичной перетяжкой). В анафазе хроматиды отделены друг от друга. Из них образуются дочерние хромосомы, содержащие одинаковую генетическую информацию. Центромера делит хромосому на два плеча. Хромосомы с равными плечами называют равноплечими или метацентрическими, с плечами неодинаковой длины - неравноплечими - субметацентрическими, с одним коротким и вторым почти незаметным - палочковидными или акроцентрическими. Совокупность признаков хромосомного набора называют кариотипом Хромосомный набор специфичен и постоянен для особей каждого вида. У человека 46 хромосом. В соматических клетках, имеющих диплоидный набор хромосом, хромосомы парные. Их называют гомологичными. Одна хромосома в паре происходит от материнского организма, другая - от отцовского. Хромосомы из разных пар называют негомологичными. В кариотипе различают половые хромосомы (у человека это Х–хромосома и Y–хромосома) и аутосомы (все остальные). Половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом. Основу хромосомы составляет молекула ДНК.
Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования, рекомендован Министерством образования и науки РФ и включен в Федеральный перечень учебников.
Учебник адресован учащимся 10 класса и рассчитан на преподавание предмета 1 или 2 часа в неделю.
Современное оформление, многоуровневые вопросы и задания, дополнительная информация и возможность параллельной работы с электронным приложением способствуют эффективному усвоению учебного материала.
Вспомните!
Как, согласно клеточной теории, происходит увеличение числа клеток?
Как вы считаете, одинакова ли продолжительность жизни разных типов клеток в многоклеточном организме? Обоснуйте своё мнение.
В момент рождения ребёнок весит в среднем 3–3,5 кг и имеет рост около 50 см, детёныш бурого медведя, чьи родители достигают веса 200 кг и более, весит не более 500 г, а крошечный кенгурёнок – менее 1 г. Из серого невзрачного птенца вырастает прекрасный лебедь, юркий головастик превращается в степенную жабу, а из посаженного возле дома жёлудя вырастает громадный дуб, который спустя сотню лет радует своей красотой новые поколения людей. Все эти изменения возможны благодаря способности организмов к росту и развитию. Дерево не превратится в семя, рыба не вернётся в икринку – процессы роста и развития необратимы. Эти два свойства живой материи неразрывно связаны друг с другом, и в их основе лежит способность клетки к делению и специализации.
Рост инфузории или амёбы – это увеличение размеров и усложнение строения отдельной клетки за счёт процессов биосинтеза. Но рост многоклеточного организма – это не только увеличение размеров клеток, но и их активное деление – увеличение количества. Скорость роста, особенности развития, размеры, до которых может дорасти определённая особь, – всё это зависит от многих факторов, в том числе и от влияния среды. Но основным, определяющим фактором всех этих процессов служит наследственная информация, которая хранится в виде хромосом в ядре каждой клетки. Все клетки многоклеточного организма происходят из одной оплодотворённой яйцеклетки. В процессе роста каждая вновь образующаяся клетка должна получить точную копию генетического материала, чтобы, обладая общей наследственной программой организма, специализироваться и, выполняя свою определённую функцию, являться неотъемлемой частью целого.
В связи с дифференцировкой, т. е. разделением на разные типы, клетки многоклеточного организма имеют неодинаковую продолжительность жизни. Например, нервные клетки перестают делиться ещё во время внутриутробного развития, и в течение жизни организма их количество может только уменьшаться. Однажды возникнув, больше не делятся и живут столько, сколько ткань или орган, в состав которых они входят, клетки, образующие поперечно-полосатые мышечные ткани у животных и запасающие ткани у растений. Постоянно делятся клетки красного костного мозга, образуя клетки крови, продолжительность жизни которых ограничена. В процессе выполнения своих функций быстро гибнут клетки кожного эпителия, поэтому в ростковой зоне эпидермиса клетки делятся очень интенсивно. Активно делятся камбиальные клетки и клетки конусов нарастания у растений. Чем выше специализация клеток, тем ниже их способность к размножению.
В организме человека около 10 14 клеток. Ежедневно погибает около 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов. Самые короткоживущие – это клетки кишечного эпителия, чья продолжительность жизни составляет всего 1–2 дня.
Жизненный цикл клетки.
Период жизни клетки от момента её возникновения в процессе деления до гибели или конца последующего деления называют жизненным циклом . Клетка возникает в процессе деления материнской клетки и исчезает в ходе собственного деления или гибели. Продолжительность жизненного цикла у разных клеток очень сильно различается и зависит от типа клеток и условий внешней среды (температуры, наличия кислорода и питательных веществ). Например, жизненный цикл амёбы равен 36 часам, а бактерии могут делиться каждые 20 минут.
Жизненный цикл любой клетки представляет собой совокупность событий, протекающих в клетке с момента её возникновения в результате деления и до гибели или последующего митоза . Жизненный цикл может включать митотический цикл, состоящий из подготовки к митозу – интерфазы и самого деления, а также стадию специализации – дифференцировки, во время которой клетка выполняет свои специфические функции. Продолжительность интерфазы всегда больше, чем само деление. У клеток кишечного эпителия грызунов интерфаза длится в среднем 15 часов, а деление осуществляется за 0,5–1 час. Во время интерфазы в клетке активно идут процессы биосинтеза, клетка растёт, образует органоиды и готовится к следующему делению. Но, несомненно, самым важным процессом, происходящим во время интерфазы в ходе подготовки к делению, является удвоение ДНК ().
Две спирали молекулы ДНК расходятся и на каждой из них синтезируется новая полинуклеотидная цепь. Редупликация ДНК происходит с высочайшей точностью, что обеспечивается принципом комплементарности. Новые молекулы ДНК являются абсолютно идентичными копиями исходной, и после завершения процесса удвоения они остаются соединёнными в области центромеры. Молекулы ДНК, входящие в состав хромосомы после редупликации, называют хроматидами .
В точности процесса редупликации заключается глубокий биологический смысл: нарушение копирования привело бы к искажению наследственной информации и, как следствие, к нарушению функционирования дочерних клеток и всего организма в целом.
Если бы удвоения ДНК не происходило, то при каждом делении клетки число хромосом уменьшалось бы вдвое и довольно скоро в каждой клетке совсем не осталось бы хромосом. Однако нам известно, что во всех клетках тела многоклеточного организма число хромосом одинаково и из поколения в поколение не изменяется. Это постоянство достигается благодаря митотическому делению клеток.
Митоз. Деление, в процессе которого происходит строго одинаковое распределение точно скопированных хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает образование генетически идентичных – одинаковых – клеток, называется митоз .
Деление клетки . Митоз" class="img-responsive img-thumbnail">
Рис. 57. Фазы митоза
Весь процесс митотического деления условно разделяют на четыре фазы разной продолжительности: профаза, метафаза, анафаза и телофаза (рис. 57).
В профазе хромосомы начинают активно спирализоваться – скручиваться и приобретают компактную форму. В результате такой упаковки считывание информации с ДНК становится невозможным и синтез РНК прекращается. Спирализация хромосом является обязательным условием успешного разделения генетического материала между дочерними клетками. Представьте себе некое небольшое помещение, весь объём которого заполнен 46 нитями, общая длина которых в сотни тысяч раз превышает размер этого помещения. Это ядро человеческой клетки. В процессе редупликации каждая хромосома удваивается, и мы имеем в том же объёме уже 92 перепутанные нити. Разделить их поровну, не запутавшись и не порвав, практически невозможно. Но смотайте эти нити в клубки, и вы легко их сможете распределить на две равные группы – по 46 клубков в каждой. Нечто аналогичное и происходит во время митотического деления.
К концу профазы ядерная оболочка распадается, и между полюсами клетки протягиваются нити веретена деления – аппарата, который обеспечивает равномерное распределение хромосом.
В метафазе спирализация хромосом становится максимальной, и компактные хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. На этой стадии отчётливо видно, что каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединённых в области центромеры. Нити веретена деления прикрепляются к центромере.
Анафаза протекает очень быстро. Центромеры расщепляются надвое, и с этого момента сестринские хроматиды становятся самостоятельными хромосомами. Нити веретена деления, прикреплённые к центромерам, оттягивают хромосомы к полюсам клетки.
На стадии телофазы дочерние хромосомы, собравшиеся у полюсов клетки, раскручиваются и вытягиваются. Они вновь превращаются в хроматин и становятся плохо различимыми в световой микроскоп. Вокруг хромосом на обоих полюсах клетки формируются новые ядерные оболочки. Образуются два ядра, содержащие одинаковые диплоидные наборы хромосом.
Рис. 58. Деление цитоплазмы в животной (А) и растительной (Б) клетках
Завершается митоз делением цитоплазмы. Одновременно с расхождением хромосом органоиды клетки приблизительно равномерно распределяются по двум полюсам. В животных клетках клеточная мембрана начинает впячиваться внутрь, и клетка делится путём перетяжки (рис. 58). В клетках растений мембрана формируется внутри клетки в экваториальной плоскости и, распространяясь к периферии, разделяет клетку на две равные части.
Значение митоза. В результате митоза возникают две дочерние клетки, содержащие столько же хромосом, сколько их было в ядре материнской клетки, т. е. образуются клетки, идентичные родительской. В нормальных условиях никаких изменений генетической информации в процессе митоза не происходит, поэтому митотическое деление поддерживает генетическую стабильность клеток. Митоз лежит в основе роста, развития и вегетативного размножения многоклеточных организмов. Благодаря митозу осуществляются процессы регенерации и замены отмирающих клеток (рис. 59). У одноклеточных эукариот митоз обеспечивает бесполое размножение.
Рис. 59. Значение митоза: А – рост (кончик корня); Б – вегетативное размножение (почкование дрожжей); В – регенерация (хвост ящерицы)
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое жизненный цикл клетки?
2. Каким образом в митотическом цикле происходит удвоение ДНК? Объясните, в чём заключается биологический смысл этого процесса.
3. В чём состоит подготовка клетки к митозу?
4. Опишите последовательно фазы митоза.
5. Составьте схему, иллюстрирующую биологическое значение митоза.
Подумайте! Выполните!
1. Объясните, почему завершение митоза – деление цитоплазмы происходит по – разному в животных и растительных клетках.
2. Клетки каких растительных тканей активно делятся и дают начало всем остальным тканям растения?
Работа с компьютером
Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.
Интерфаза. Стадия подготовки клетки к делению называется интерфаза Она подразделяется на несколько периодов.
Пресинтетический период (G1) – это наиболее продолжительный период клеточного цикла, наступающий после деления (митоза) клеток. Число хромосом и содержание ДНК – 2n 2с . У разных видов клеток период G1 может продолжаться от нескольких часов до нескольких суток. В этот период в клетке активно синтезируются белки, нуклеотиды и все виды РНК, делятся митохондрии и пропластиды (у растений), образуются рибосомы и все одномембранные органоиды, увеличивается объём клетки, накапливается энергия, идёт подготовка к редупликации ДНК.
Синтетический период (S) – это важнейший период в жизни клетки, во время которого происходит удвоение ДНК (редупликация). Длительность S – периода – от 6 до 10 часов. В это же время идёт активный синтез белков-гистонов, входящих в состав хромосом, и их миграция в ядро. К концу периода каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединённых друг с другом в области центромеры. Тем самым число хромосом не меняется (2n ), а количество ДНК удваивается (4с ).
Постсинтетический период (G2) наступает после завершения удвоения хромосом. Это период подготовки клетки к делению. Он длится 2–6 часов. В это время активно накапливается энергия для предстоящего деления, синтезируются белки микротрубочек (тубулины) и регуляторные белки, запускающие митоз.
Формы митоза. В природе встречается несколько вариантов митотического деления клеток.
Симметричный митоз. Наиболее распространённая в природе форма митоза, в результате которой получаются две одинаковые клетки.
Асимметричный митоз. Митоз, при котором происходит неравномерное распределение цитоплазмы между дочерними клетками или неравномерное распределение специальных белков – факторов дифференцировки, определяющих дальнейшую судьбу клетки после деления.
Закрытый митоз . У некоторых инфузорий, водорослей, грибов митоз проходит без разрушения ядерной оболочки. В этом случае веретено деления может располагаться внутри специального канала, который образуется в ядре. Молекулярные механизмы закрытого митоза пока изучены ещё недостаточно хорошо.
Амитоз. Амитоз , или прямое деление, – деление клетки без образования веретена деления. Интерфазное ядро разделяется перетяжкой на две части. При этом не происходит равномерное распределение генетического материала между двумя дочерними клетками. Чаще всего амитоз встречается в клетках высокоспециализированных тканей, которым уже не надо делиться дальше, при старении, дегенерации тканей и в клетках злокачественных опухолей.
Следует отметить, что в настоящее время большинство учёных считают, что все явления, относимые к амитозу, – это описания неких патологических процессов или результат неверной интерпретации недостаточно качественно приготовленных микропрепаратов. Однако всё-таки некоторые варианты деления ядер эукариотических клеток нельзя отнести ни к митозу, ни к мейозу. Таково, например, деление макронуклеусов многих инфузорий, которое происходит без образования веретена деления.
Повторите и вспомните!
Растения
Образовательные ткани. Клетки специализированных растительных тканей (покровных, механических, проводящих) не способны к делению. Следовательно, в растении должны быть ткани, единственная функция которых заключается в новообразовании клеток. Только от них зависит возможность роста растения. Это образовательные ткани, или меристемы (от греч. meristos – делимый).
Образовательные ткани, или меристемы, состоят из мелких тонкостенных крупноядерных клеток, содержащих пропластиды, митохондрии и мелкие, практически неразличимые под световым микроскопом вакуоли. Меристемы обеспечивают рост растения и образование всех остальных типов тканей. Их клетки делятся путём митоза. После каждого деления одна из сестринских клеток сохраняет свойство материнской, а другая вскоре прекращает деление и приступает к начальным этапам дифференциации, в дальнейшем образуя клетки определённой ткани.
Образовательные ткани в теле растения располагаются в разных местах, в связи с чем их делят на несколько групп.
Верхушечные (апикальные ) меристемы. Располагаются на верхушках осевых органов – стебля и корня, обеспечивая рост этих органов в длину. По мере ветвления на каждом новом боковом побеге или корне образуются свои верхушечные меристемы.
Боковые (латеральные ) меристемы. Обеспечивают утолщение осевых органов. Это камбий, характерный для голосеменных и двудольных растений, и феллоген, образующий покровную ткань – пробку, или феллему.
Вставочные (интеркалярные ) меристемы. Расположены в нижней части междоузлия стебля злаков и у основания молодых листьев, обеспечивая рост этих органов. По мере окончания роста листа или стеблевого участка вставочная меристема превращается в постоянные ткани.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
