Основные понятия:
жизненный цикл клетки, интерфаза, митоз, амитоз, прямое бинарное деление, мейоз, развитие половых клеток, гаметогенез, сперматогенез, овогенез
Период с момента возникновения клетки до следующего деления или гибели называется жизненным циклом клетки. Часть жизненного цикла клетки от ее возникновения до начала деления называется интерфазой.
Во время интерфазы происходит подготовка клетки к делению: удвоение ДНК, синтезируются РНК и белки, увеличивается число митохондрий, пластид, рибосом и поверхность шероховатой эндоплазматической сети. В этот период синтезируются белки микротрубочек, из которых будет формироваться веретено деления во время митоза, запасается энергия. На процесс репликации ДНК затрачивается энергия АТФ. Совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению и в период деления называется митотическим циклом (от названия основного типа деления -митоза).
Деление клетки. После того как в клетке завершаются биохимические процессы подготовки к делению, начинается таинственный и до конца не изученный процесс. В настоящее время известно несколько способов деления клетки: митоз, прямое бинарное деление, амитоз и мейоз. Деление клеток – основа процесса размножения.
Митоз – основной способ деления эукариотических клеток. В исходной материнской клетке количество хромосом (n) и ДНК (с) = 2n2c, в интерфазе, после удвоения ДНК, набор = 2n4c. Различают четыре фазы митоза:
| Фазы митоза | Процессы, происходящие в клетке | Количество хромосом (n) и ДНК (с) в клетке |
| Профаза | Хромосомы скручиваются, спирализуются, становятся видимыми; две центриоли расходятся к полюсам клетки; формируется веретено деления; исчезает ядрышко, разрушается ядерная оболочка. | 2n4c |
| Метафаза | Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединенных в центромерных участках; хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки; нити веретена деления прикрепляются к каждой хромосоме в области центромера. | 2n4c |
| Анафаза | Хроматиды, удвоенные в интерфазе, становятся самостоятельными хромосомами и расходятся к полюсам клетки. | 4n4c |
| Телофаза | Хромосомы, собравшиеся у полюсов клетки, раскручиваются, деспирализуются; формируется ядерная мембрана, образуется ядро; происходит деление цитоплазмы; органоиды распределяются между двумя клетками; две клетки отделяются друг от друга. | 2n2c |
| В результате митоза из одной клетки возникают две дочерние с тем же набором хромосом. |
Биологическое значение митоза заключается в следующем: при делении материнской клетки происходит удвоение генетического материала и его распределение между дочерними клетками. Благодаря равномерному разделению реплицированных хромосом между дочерними клетками обеспечивается образование генетически равноценных клеток и сохраняется преемственность в ряду клеточных поколений. Таким образом, из одной исходной (материнской) клетки образуется две новые – дочерние клетки с диплоидным набором хромосом 2n. Митоз поддерживает постоянное число хромосом в клетках следующего поколения, дочерние клетки получают точно такую же генетическую информацию, которая находилась в ядре материнской клетки. Это обеспечивает такие важные моменты жизнедеятельности, как эмбриональное развитие и рост организмов, восстановление органов и тканей после повреждения. Митотическое деление клеток является цитологической основой бесполого размножения организмов.
Бактериальные клетки содержат только одну кольцевую молекулу ДНК, прикрепленную к клеточной мембране. Перед делением клетки ДНК удваивается и образуются две идентичные молекулы ДНК, каждая из которых также прикреплена к клеточной мембране. При делении клетки мембрана врастает между двумя молекулами ДНК так, что в конечном итоге в каждой дочерней клетке оказывается по одной идентичной молекуле ДНК. Такой процесс получил название прямого бинарного деления.
Амитоз или прямое деление, — это деление интерфазного ядра путем перетяжки. При амитозе веретено деления не образуется и хромосомы в световом микроскопе неразличимы. Такое деление встречается у одноклеточных организмов (например, так делятся большие ядра инфузорий), при различных патологических процессах, таких как злокачественный рост, воспаление и т. п. Амитоз можно наблюдать в тканях растущего клубня картофеля, эндосперме семян, стенках завязи пестика и паренхиме черешков листьев. У животных и человека такой тип деления характерен для клеток печени, хрящей, роговицы глаза. Амитоз в отличие от митоза является самым экономичным способом деления, так как энергетические затраты при этом весьма незначительны.
Мейоз (греч. meiosis -— уменьшение) — это способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом вдвое и переход клеток из диплоидного состояния (2л) в гаплоидное (п). Мейоз проходит два сменяющих друг друга деления, каждое деление имеет фазы подобно митозу - это профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Перед первым делением – интерфаза: происходит репликация (удвоение) ДНК.
Фазы мейоза
Первое мейотическое деление – мейоз I
| Фазы | Характеристика |
| Профаза I | Гомологичные хромосомы присоединяются друг к другу, переплетаются, происходит перекрест хромосом – коньюгация. Коньюгирующие хромосомы могут обмениваться участками - кроссинговер. Формируется веретено деления. |
| Метафаза I | В плоскости экватора располагаются гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид. Нити веретена деления соединены с центромерами хромосом. |
| Анафаза I | Гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, перемещаются к полюсам клетки |
| Телофаза I | Хромосомы деспирализуются, образуется ядерная оболочка, цитоплазма делится. Образуются две дочерние диплоидные клетки с набором хромосом 2n |
Второе мейотическое деление – мейоз II
| Фазы | Характеристика |
| Профаза II | Хромосомы укорачиваются и утолщаются, образуется веретено деления, ядерная оболочка разрушается |
| Метафаза II | Хромосомы располагаются по экватору, к центромерам прикрепляются микротрубочки веретена деления |
| Анафаза II | Хроматиды расходятся к полюсам клетки, становятся самостоятельными хромосомами |
| Телофаза II | Хромосомы деспирализуются, образуется ядерная оболочка, цитоплазма делится. Образуются гаплоидные клетки с набором хромосом - n. Из одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидных |
Биологическая сущность мейоза состоит в формировании половых клеток с уменьшенным, гаплоидным, набором хромосом. Редукционное деление является механизмом, препятствующим непрерывному увеличению числа хромосом при слиянии гамет. Не будь такого механизма, при половом размножении число хромосом удваивалось бы в каждом новом поколении. Благодаря мейозу поддерживается определенное и постоянное число хромосом во всех поколениях каждого вида растений, животных и грибов.
Другое важное значение мейоза заключается в обеспечении чрезвычайного разнообразия генетического состава гамет в результате кроссинговера - возникают новые комбинации генов, и различного сочетания отцовских и материнских хромосом при их расхождении в анафазе I. Это обеспечивает появление разнообразного и разнокачественного потомства при половом размножении организмов.