Урок Бесплатно Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз. Мейоз. Фазы митоза и мейоза
Введение
Когда вы только родились, ваш вес составлял в среднем от 3 до 4кг, а рост всего около 50-60 см, но с каждым днем вы становились больше и выше..
А какой рост и вес у вас сегодня и почему произошло увеличение этих показателей по сравнению с прошлыми годами?
Всё это благодаря способности клеток к размножению, в основе которого лежит процесс деления.
Рост и развитие всех многоклеточных организмов всегда связаны с делением клеток.
У человека и животных во взрослом состоянии в некоторых тканях клетки постоянно отмирают и заменяются новыми, которые образуются как раз путем деления.
Следовательно, деление клеток является тем процессом, благодаря которому поддерживается жизнь всего организма и обеспечивается непрерывность жизни клетки.
Наряду с непрерывностью жизни клетки происходит и преемственность наследственных свойств от родительской клетки к дочерней.
То есть в процессе деления каждая вновь образующаяся клетка должна получить точную копию генетического материала, чтобы обладать общей наследственной программой, специализироваться и выполнять функции, какие и выполняла материнская клетка.
Клеточный цикл
Для начала рассмотрим жизнь одной клетки нашего организма.
Весь период существования клетки от момента её образования до собственного деления или гибели называется клеточным циклом или жизненным циклом клетки.
Длительность жизненного цикла у разных клеток разная, но у большинства активно делящихся клеток, она составляет примерно от 10 до 24 часов.
У меня есть дополнительная информация к этой части урока!
Примеры длительности жизни клеток:
· у амебы жизненный цикл клетки равен 36 часам
· бактериальные клетки могут делиться каждые 20 минут
· у клеток кишечного эпителия грызунов цикл между делениями в среднем 15 часов
· нервные клетки перестают делиться ещё во время внутриутробного развития, их жизнь зависит от времени жизни ткани или органа, в состав которых они входят
Ученые выделяют следующие периоды в этом жизненном цикле клетки у эукариот:
· интерфаза— период клеточного роста, во время которого идет синтез ДНК и белков и осуществляется подготовка к делению клетки.
Интерфаза подразделяется на период G1-фазы, период S-фазы, период G2-фазы, период G0-фазы
· период клеточного деления, обозначается как М- фаза
Посмотрите на схему жизненного цикла клетки:
Периоды интерфазы:
Название периода
Процессы, происходящие в клетке
Пресинтетический период- G1—фаза или фаза начального роста
2n- набор хромосом (двойной),
синтез всех РНК, ферментов, белков, образование рибосом, синтез АТФ, образование одномембранных органелл клетки, рост клетки, создание запаса питательных веществ
Синтетический период- S-фаза
2n4c- количество хромосом осталось прежним, а количество ДНК увеличилось вдвое
происходит репликация ДНК клеточного ядра, построение второй хроматиды и формирование двухроматидных хромосом
Постсинтетический период- G2-фаза
происходит подготовка к митозу, интенсивный синтез белков, РНК, деление митохондрий и пропластид (предшественники всех типов пластид) у растений, синтез АТФ, удвоение массы цитоплазмы, увеличение массы ядра
Период функционирования клеток- фаза покоя G0
период клеточного цикла, в течение которого клетки находятся в состоянии покоя и не делятся, клетка как бы находится вне клеточного цикла.
Примеры: нервные клетки или клетки сердечной мышцы. Они вступают в состояние покоя при достижении зрелости (то есть когда закончена их дифференцировка).
Некоторые клетки могут выйти из этого состояния и начать вновь деление.
У меня есть дополнительная информация к этой части урока!
Прохождение клеткой фаз клеточного цикла регулируется специальными белками- циклинами.
Циклины получили своё название от того, что их концентрация в клетке периодически изменяется по мере прохождения клеток через клеточный цикл, достигая максимума на его определенных стадиях
Период деления клетки.
Деление клетки- процесс образования из родительской клетки двух и более дочерних клеток.
У эукариот есть два различных типа деления клетки:
1) непрямое деление:
· митоз- вегетативное деление, при котором каждая дочерняя клетка генетически идентична родительской клетке
· мейоз— репродуктивное клеточное деление, при котором количество хромосом в дочерней клетке снижается вдвое для производства половых клеток
2) прямое деление- амитоз, встречается относительно редко и проявляется в отмирающих тканях, а также в клетках опухолей
Для того чтобы понять, как происходят процессы деления клеток, необходимо знать строение хромосом, ведь именно они играют важнейшую роль в передаче наследственной информации от клетки к клетке.
Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации
Строение хромосом в различные периоды клеточного цикла
Хромосомы- это структуры, в которых сосредоточена большая часть наследственной информации.
Они располагаются в ядре эукариотической клетки, состоят из молекулы ДНК, которая связана с белками-гистонами.
Хромосомы состоят из 2 сестринских хроматид (удвоенных молекул ДНК), соединенных друг с другом в области первичной перетяжки- центромеров.
Центромера- специализированный участок ДНК, в районе которого в стадии профазы и метафазы деления клетки соединяются две сестринские хроматиды в митозе, а в мейозе гомологичные хромосомы в профазе и метафазе первого деления.
• центромера играет важную роль при расположении хромосом в виде метафазной пластинки в процессе расхождения дочерних хромосом к полюсам клетки, так как при помощи центромеры каждая хроматида соединяется с нитями веретена деления
• каждая центромера разделяет хромосому на два плеча
Строение хромосомы:
В жизненном цикле клетки, а конкретно в синтетический период происходит репликация ДНК (удвоение), именно с этого момента каждая хромосома состоит уже не из одной хроматиды, а из двух хроматид.
Типы хромосом (морфологические типы):
• акроцентрические (центромера расположена близко к концу хромосомы, и одно плечо значительно короче другого)
• субметацентрические (центромера смещена от середины хромосом, и одно плечо короче другого)
• метацентрические (центромера расположена в середине хромосомы, и плечи ее равны)
· телоцентрическая хромосома— хромосома, состоящая только из одного плеча и имеющая центромеру на самом краю; считается, что истинных телоцентрических хромосом не существует, т.к. даже маленькое второе плечо (визуально на хромосомных препаратах не выявляемое), по-видимому, всегда присутствует; часто такой вид хромосом используется в качестве синонима термина «акроцентрическая хромосома»
Гомологичные хромосомы (от греч. «гомос»- одинаковый).
Гомологичные хромосомы— парные хромосомы, одинаковые по форме, размерам и набору генов.
Их гены в соответствующих (идентичных) участках представляют собой аллельные гены.
Аллельные гены— различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом.
Но следует отметить, что гомологичные хромосомы не идентичны друг другу по следующим причинам:
• хотя гомологичные хромосомы имеют один и тот же набор генов, но этот набор может быть представлен различными формами одного и того же гена.
К примеру, у вас в гомологичных хромосомах есть участок с аллельными генами, которые определяют цвет ваших глаз. От матери в вашу гомологичную хромосому попал ген, отвечающий за карий цвет глаз- доминантный (сильный) признак, а от отца в хромосому попал ген, отвечающий за серый цвет глаз- это рецессивный (слабый) признак. Таким образом, аллельные гены отвечают за один признак- цвет глаз, но этот ген представлен в данном случае различными формами (доминантный и рецессивный, серый и карий).
То есть ген один, а проявление его разное, поэтому мы говорим о гомологии, а не о идентичности.
• также в результате некоторых мутаций (удвоение хромосом, утраты ее частей и других причин) могут возникать гомологичные хромосомы, различающиеся наборами или расположением генов
Для каждого эукариотического организма характерен свой набор хромосом.
Количество, формы размеры хромосом у каждого организма различны.
К примеру, у человека всего 46 хромосом с 20-25 тыс. активных генов, а у коровы 60 хромосом с 22 тыс. активных генов.
А для проведения анализа и исследования всех хромосом клетки, ученые выделили такое понятие как кариотип.
Такой анализ имеет большое значение в медицинской практике, позволяя диагностировать ряд хромосомных заболеваний, вызванных как грубыми нарушениями кариотипов (нарушение числа хромосом), так и нарушением хромосомной структуры.
Кариотип— совокупность признаков полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида данного организма (индивидуальный кариотип).
В комплекс характеристик кариотипа входят:
• число хромосом, характерное для данного вида
• положение центромеры каждой хромосомы
• рисунок дифференциального окрашивания хромосом (специальный метод окрашивания, который позволяет по рисунку чередующихся поперечных темных и светлых полос на хромосоме идентифицировать конкретную хромосому или ее участок)
Рассмотрим кариотип человека:
По рисунку мы видим кариотип здорового человека, который включает 22 пары неполовых хромосом (аутосом) и пару половых хромосом (ХХ (женский пол) или ХY (мужской пол).
Хромосомы в кариотипе различаются размерами, формой, положением центромеры, рисунком окрашивания.
Хромосомы также нумеруют: самая большая хромосома- первая, и далее, чем меньше хромосома, тем больший номер она получает.
На рисунке вы видите, что каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид (не забывайте, что каждая хроматида содержит 1 молекулу ДНК).
Поэтому получается, что хромосома одна, но она содержит 2 молекулы ДНК.
Помимо этого у диплоидного организма имеется двойной набор хромосом.
То есть у каждой хромосомы есть гомологичная ей хромосома, это тоже вы можете разглядеть на рисунке.
У человека имеются 22 пары гомологичных хромосом (плюс пара половых хромосом, которые негомологичны друг другу).
Один набор хромосом человек получает от матери, другой от отца.
Объединение этих наборов происходит при оплодотворении.
Половые клетки, образовавшиеся в результате мейоза, содержат только одну из двух гомологичных хромосом. Такой набор хромосом называется гаплоидный или одинарный (от греч. haploos- одиночный, простой и eidos- вид).
У человека путем мейоза образуются половые клетки (гаметы), каждая из них несет 23 хромосомы, а не 46, как в обычной соматической клетке.
В биологии обычно количество хромосом в клетке обозначается буквой n:
1n или просто одной буквой n- гаплоидный (одинарный) набор хромосом
2 n- диплоидный (двойной) набор хромосом
с— количество ДНК в хромосоме.
Количество хромосом в жизненном цикле разных организмов может быть разным.
У животных хромосомный набор диплоидный, а гаплоидны только гаметы.
Например, у хламидомонады, наоборот, гаплоидный набор хромосом на протяжении всего жизненного цикла, а диплоидна лишь зигота, которая сразу вступает в мейоз.
У некоторых растений наблюдаются сразу две фазы:
• у папоротников взрослого растения спорофита, наоборот, основная жизненная стадия представлена диплоидным набором хромосом
На спорофите путем митоза образуются клетки спорангия- органы, производящие споры, клетки которого имеют также диплоидный набор хромосом.
Сами споры имеют гаплоидный набор хромосом, благодаря мейозу.
У семенных растений самостоятельной гаплоидной стадии не существует.
Нарушение структуры хромосом.
Нарушение структуры хромосом происходит в результате спонтанных или спровоцированных изменений:
• генные мутации (изменения на молекулярном уровне)
• делеции- хромосомная перестройка, при которой происходит потеря участка хромосомы
• дупликации или удвоение- структурная хромосомная мутация, заключающаяся в удвоении участка хромосомы
• транслокации- тип хромосомных мутаций, при которых происходит перенос участка хромосомы на негомологичную хромосому, приводят к развитию лимфом, сарком, лейкемии, шизофрении
• инверсии- это поворот определенного участка хромосомы на 180°; является следствием двух одновременных разрывов в одной хромосоме
Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации
Митоз и мейоз
Жизненный цикл клетки (клеточный цикл)
С момента появления клетки и до ее смерти в результате апоптоза (программируемой клеточной гибели) непрерывно продолжается жизненный цикл клетки.
Интенсивно образуются рибосомы, синтезируется АТФ и все виды РНК, ферменты, клетка растет.
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.
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).
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
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).
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.
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.
Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент.
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).
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.
Бинарное деление надвое
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 встречается в раковых (опухолевых) клетках, воспалительно измененных, в старых клетках.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Репликация днк происходит в какой фазе митоза
Рост тела человека обусловлен увеличением размера и количества клеток, при этом последнее обеспечивается процессом деления, или митозом. Пролиферация клеток происходит под воздействием внеклеточных факторов роста, а сами клетки проходят через повторяющуюся последовательность событий, известную как клеточный цикл.
Различают четыре основные фазы клеточного цикла: G1 (пресинтетическая), S (синтетическая), G2 (постсинтетическая) и М (митотическая). Затем следует разделение цитоплазмы и плазматической мембраны, в результате чего возникают две одинаковые дочерние клетки. Фазы Gl, S и G2 входят в состав интерфазы. Репликация хромосом происходит во время синтетической фазы, или S-фазы.
Большинство клеток не подвержено активному делению, их митотическая активность подавляется во время фазы GO, входящей в состав фазы G1.
Продолжительность М-фазы составляет 30—60 мин, в то время как весь клеточный цикл проходит примерно за 20 ч. В зависимости от возраста нормальные (не опухолевые) клетки человека претерпевают до 80 митотических циклов.
Процессы клеточного цикла контролируются последовательно повторяющимися активацией и инактивацией ключевых ферментов, называемых цик дин зависимыми протеинкиназами (ЦЗК), а также их кофакторов — циклинов. При этом под воздействием фосфокиназ и фосфатаз происходят фосфорилирование и дефосфорилирование особых циклин-ЦЗК-комплексов, ответственных за начало тех или иных фаз цикла.
Кроме того, на соответствующих стадиях подобные ЦЗК-белки вызывают уплотнение хромосом, разрыв ядерной оболочки и реорганизацию микротрубочек цитоскелета в целях формирования веретена деления (митотического веретена).
G1-фаза клеточного цикла
G1-фаза — промежуточная стадия между М- и S-фазами, во время которой происходит увеличение количества цитоплазмы. Кроме того, в конце фазы G1 расположена первая контрольная точка, на которой происходят репарация ДНК и проверка условий окружающей среды (достаточно ли они благоприятны для перехода к S-фазе).
При возникновении патологий белка р53 репликация дефективной ДНК продолжается, что позволяет делящимся клеткам накапливать мутации и способствует развитию опухолевых процессов. Именно поэтому белок р53 часто называют «стражем генома».
G0-фаза клеточного цикла
Пролиферация клеток у млекопитающих возможна только при участии секретируемых другими клетками внеклеточных факторов роста, которые оказывают своё воздействие через каскадную сигнальную трансдукцию протоонкогенов. Если во время фазы G1 клетка не получает соответствующих сигналов, то она выходит из клеточного цикла и переходит в состояние G0, в котором может находиться несколько лет.
Блок G0 происходит при помощи белков — супрессоров митоза, один из которых — ретинобластомный белок (Rb-белок), кодируемый нормальными аллелями гена ретинобластомы. Данный белок прикрепляется кособым регуляторным протеинам, блокируя стимуляцию транскрипции генов, необходимых для пролиферации клеток.
Внеклеточные факторы роста разрушают блок путём активации Gl-специфических циклин-ЦЗК-комплексов, которые фосфорилируют Rb-белок и изменяют его конформацию, в результате чего разрывается связь с регуляторными белками. При этом последние активируют транскрипцию кодируемых ими генов, которые запускают процесс пролиферации.
S фаза клеточного цикла
Стандартное количество двойных спиралей ДНК в каждой клетке, соответствующее диплоидному набору одноцепочечных хромосом, принято обозначать как 2С. Набор 2С сохраняется на протяжении фазы G1 и удваивается (4С) во время S-фазы, когда синтезируется новая хромосомная ДНК.
Начиная с конца S-фазы и до М-фазы (включая фазу G2) каждая видимая хромосома содержит две плотно связанные друг с другом молекулы ДНК, называемые сестринскими хроматидами. Таким образом, в клетках человека начиная с конца S-фазы и до середины М-фазы присутствуют 23 пары хромосом (46 видимых единиц), но 4С (92) двойные спирали ядерной ДНК.
В процессе митоза происходит распределение одинаковых наборов хромосом по двум дочерним клеткам таким образом, чтобы в каждой из них содержалось по 23 пары 2С-молекул ДНК. Следует отметить, что фазы G1 и G0 — единственные фазы клеточного цикла, во время которых в клетках 46 хромосомам соответствует 2С-набор молекул ДНК.
G2-фаза клеточного цикла
Вторая контрольная точка, на которой проверяется размер клетки, находится в конце фазы G2, расположенной между S-фазой и митозом. Кроме того, на данной стадии, прежде чем перейти к митозу, происходит проверка полноты репликации и целостности ДНК. Митоз (М-фаза)
1. Профаза. Хромосомы, каждая из которых состоит из двух одинаковых хроматид, начинают уплотняться и становятся видимыми внутри ядра. На противоположных полюсах клетки вокруг двух центросом из волокон тубулина начинает образовываться веретеноподобный аппарат.
2. Прометафаза. Происходит разделение мембраны ядра. Вокруг центромер хромосом формируются кинетохоры. Волокна тубулина проникают внутрь ядра и концентрируются вблизи кинетохор, соединяя их с волокнами, исходящими из центросом.
3. Метафаза. Натяжение волокон заставляет хромосомы выстраиваться посередине в линию между полюсами веретена, формируя тем самым метафазную пластинку.
4. Анафаза. ДНК центромер, разделённая между сестринскими хроматидами, дуплицируется, хроматиды разделяются и расходятся ближе к полюсам.
6. Цитокинез. Клеточная мембрана сокращается и посередине между полюсами образуется борозда дробления, которая со временем разделяет две дочерние клетки.
Цикл центросомы
Во время фазы G1 происходит разделение пары центриолей, сцепленных с каждой центросомой. На протяжении S- и G2-фаз справа от старых центриолей формируется новая дочерняя центриоль. В начале М-фазы центросома разделяется, две дочерние центросомы расходятся к полюсам клетки.
Медицинское значение понимания клеточного цикла
Для анализа кариотипа процесс деления клетки подавляют колхицином во время метафазы.
Таксол блокирует разборку веретена деления, его используют в качестве противоопухолевого препарата.
Видео стадии и фазы клеточного цикла клетки
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
