Процесс деления клетки

Индивидуальное развитие (онтогенез) любого организма начинается с одной клетки. Эта клетка подвергается процессу деления, что для одноклеточных организмов равнозначно размножению, а для многоклеточных — формированию нового организма. Поэтому процессы деления клеток имеют большое значение в жизни любых организмов.

По характеру протекания процесса деления клетки различают прямое деление (амитоз) и непрямое деление (митоз). При амитозе и митозе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом и количество ядерного вещества составляет «2n». В результате вышеназванных видов деления образуются соматические клетки (клетки тела). При образовании спор (у растений) и гамет (у животных) происходит непрямое деление с уменьшением числа хромосом в два раза. Этот вид деления клеток называют мейозом. В данном подразделе будут рассмотрены амитоз и митоз.

Краткая характеристика амитоза

Деление, при котором строение делящейся клетки практически не претерпевает существенных изменений, называется амитозом, или прямым делением.

В процессе амитоза клетка и ядро удлиняются, образуется перетяжка и в конечном результате из одной родительской клетки возникают две дочерние. Амитотически делятся клетки амебы и других простейших одноклеточных организмов.

Недостатком амитоза является то, что возможно неравномерное распределение ядерного вещества между дочерними клетками, что может способствовать вырождению данного вида. Этот тип деления встречается довольно редко, а у высокоорганизованных организмов не встречается совсем.

Общая характеристика митоза

Процесс деления клетки, при котором её строение подвергается существенным изменениям, возникновением новых структур и реализацией строго определенных стадий, называется непрямым делением, или митозом.

При митозе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом и такое же количество ядерного вещества, которое характерно для нормально функционирующей соматической родительской клетки.

Митоз осуществляется при размножении соматических (клеток тела) клеток, например, в меристемах (тканях роста) растений или в активных зонах деления у животных (в кроветворных органах, в коже и т. д.). Для животных организмов состояние деления характерно в молодом возрасте, но оно может осуществляться и в зрелом возрасте в соответствующих органах (кожа, органы кроветворения и др.).

Митоз представляет собой последовательность строго определенных процессов, которые протекают по стадиям. Митоз состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Общая длительность митоза составляет 2-8 часов. Рассмотрим фазы митоза более подробно.

1. Профаза (первая фаза митоза) — самая длительная. Во время профазы в ядре появляются хромосомы (за счет спирализации молекул ДНК). Ядрышко растворяется. Четко проявляются все хромосомы. Центриоли клеточного центра расходятся к разным полюсам клетки и между центриолями формируется «веретено деления». Ядерная оболочка растворяется, и хромосомы попадают в цитоплазму. Профаза завершается.

Следовательно, в результате профазы формируется «веретено деления», состоящее из двух центриолей, находящихся в разных полюсах клетки и связанных между собой двумя типами нитей — опорными и тянущими. В цитоплазме имеется диплоидный набор хромосом, каждая из которых содержит двойное (по отношению к норме) количество ядерного вещества и имеет перетяжку вдоль большой оси симметрии.

2. Метафаза (вторая фаза деления). Иногда ее называют «фаза звезды», так как при виде сверху хромосомы образуют некоторое подобие звезды. Во время метафазы хромосомы выражены в наибольшей степени.

В метафазе хромосомы перемещаются в центр клетки и прикрепляются центромерами к тянущим нитям веретена, что приводит к возникновению строго упорядоченной структуры расположения хромосом в клетке. После прикрепления к тянущей нити каждая хроматиновая нить разделяется на две части, за счет чего каждая хромосома напоминает как бы слепленные в районе центромеры хромосомы. В конце метафазы центромера разделяется вдоль (параллельно хроматиновым нитям) и образуется тетраплоидное количество хромосом. На этом метафаза завершается.

Итак, в конце метафазы возникает тетраплоидное количество хромосом (4n), одна половина которых прикреплена к нитям, тянущим эти хромосомы к одному полюсу, а вторая половина — к другому полюсу.

3. Анафаза (третья фаза, следует за метафазой). При анафазе (начальный период) тянущие нити веретена сокращаются и за счет этого хромосомы расходятся к разным полюсам делящейся клетки. Каждая из хромосом характеризуется нормальным количеством ядерного вещества.

К концу анафазы хромосомы концентрируются у полюсов клетки, а на опорных нитях веретена в центре клетки (на «экваторе») возникают утолщения. На этом анафаза завершается.

4. Телофаза (последняя стадия митоза). Во время телофазы происходят следующие изменения: возникшие в конце анафазы утолщения на опорных нитях увеличиваются и сливаются, образуя первичную мембрану, отделяющую одну дочернюю клетку от другой.

В итоге возникают две клетки, содержащие диплоидный набор хромосом (2n). На месте первичной мембраны образуется перетяжка между клетками, которая углубляется, и к концу телофазы одна клетка отделяется от другой.

Одновременно с формированием клеточных оболочек и разделением исходной (материнской) клетки на две дочерние происходит окончательное формирование молодых дочерних клеток. Хромосомы мигрируют в центр новых клеток, тесно сближаются, молекулы ДНК деспирализуются и хромосомы как отдельные образования исчезают. Вокруг ядерного вещества формируется ядерная оболочка, возникает ядрышко, т. е. происходит формирование ядра.

В это же время формируется и новый клеточный центр, т. е. из одной центриоли образуется две (за счет деления), между возникшими центриолями появляются тянущие опорные нити. Телофаза на этом завершается, а вновь возникшие клетки вступают в свой цикл развития, который зависит от местонахождения клеток и их будущей роли.

Путей развития дочерних клеток несколько. Один из них состоит в том, что вновь возникшие клетки специализируются на выполнении конкретных функций, например, становятся форменными элементами крови. Пусть часть из этих клеток становится эритроцитами (красными кровяными тельцами). Такие клетки растут, достигая определенного размера, затем они теряют ядро и заполняются дыхательным пигментом (гемоглобином) и становятся зрелыми, способными к выполнению своих функций. Для эритроцитов — это способность реализации газообмена между тканями и органами дыхания, осуществляя перенос молекулярного кислорода (O2) из органов дыхания к тканям и углекислый газ из тканей к органам дыхания. Молодые эритроциты попадают в кровяное русло, где функционируют 2-3 месяца, а затем погибают.

Вторым путем развития дочерних клеток тела является вступление их в митотический цикл.

Краткая характеристика митотического цикла

Митотический цикл — это временной отрезок существования клетки от одного деления до другого, включающий митоз (время деления, при котором из родительской клетки появляются две дочерние), и интерфазу (время, в течение которого возникшие клетки становятся способными к новому делению).

Следовательно, митотический цикл состоит из двух временных пластов: времени митоза и времени интерфазы. Интерфаза занимает 24/25 от всего митотического цикла и подразделяется на три периода. Ниже кратко охарактеризованы периоды интерфазы.

1. Пресинтетический период (G1). Он начинается сразу после полного завершения телофазы и составляет примерно половину времени интерфазы. В этот период на деспирализованных хромосомах (деспирализованных молекулах ДНК) происходит синтез РНК всех видов. В ядрышках образуются зародыши рибосом.

В митохондриях интенсивно синтезируется АТФ, т. е. в клетке накапливается энергия в «удобной» для организма форме (она может в дальнейшем легко использоваться в процессах синтеза нужных организму веществ).

Одновременно протекает интенсивный синтез молекул белка. Все эти процессы подготавливают синтетический период, в котором происходит синтез ДНК.

2. Синтетический период (S).

Во время этой стадии интерфазы синтезируется ДНК, т. е. происходит редупликация, или репликация. Под влиянием ферментов двойные цепи ДНК превращаются в одинарные и на них по принципу комплементарности (взаимодополнения) возникают новые двойные цепи ДНК. В конце синтетического периода в клетке возникает тетраплоидное количество ДНК (4c), но сохраняется диплоидный набор хромосом (2n). После того как в клетках возникает тетраплоидное количество вещества, синтетический период завершается и клетка вступает в последний период интерфазы — постсинтетический.

3. Постсинтетический период (G2).

Этот период завершает интерфазу. Он относительно короток во времени. В течение данного периода происходит дополнительный синтез белков и АТФ. Клетки достигают предельных размеров, в них окончательно формируются все структуры. В конце постсинтетического периода клетки готовы к новому делению.

В заключение необходимо отметить, что синтез веществ происходит во все периоды интерфазы. Выделение синтетического периода связано с тем, что его существенным отличием от других периодов является то, что в это время синтезируется ДНК, ее в клетке становится вдвое больше нормы и это создает предпосылки для нового деления клетки.

Продолжительность митотического цикла определяют по формулам:

Ц = М + И

Ц = М + G1 + S + G2, где М — продолжительность митоза; И — продолжительность интерфазы; G1 — продолжительность пресинтетического периода; S — продолжительность синтетического периода; G2 — продолжительность постсинтетического периода; G1 + G2 + S = И.