1. Клеточный цикл, его периоды. Способы деления клеток (митоз, амитоз, мейоз).
2. Митоз. Фазы митоза. Биологическая роль митоза. Патология митоза.
3. Мейоз. Фазы мейоза. Биологическая роль мейоза. Патология мейоза.
Клеточный цикл – период жизнедеятельности клетки от конца одного до конца следующего деления – состоит из собственно деления клетки и интерфазы.
Интерфаза – период жизнедеятельности клетки между делениями. Имеет 3 фазы: G1 – пресинтетическая, когда клетка увеличивается в размерах, специализируется и дифференцируется (2n2C), S – синтетическая, репликация ДНК (2n4С) и G2 – постсинтетическая, когда клетка готовится к делению (2n4С), С – количество молекул ДНК.
Интерфаза обычно занимает не менее 90% всего времени клеточного цикла. Клеточные циклы имеют разную продолжительность у одного и того же организма в зависимости от тканевой принадлежности. Например, у человека продолжительность клеточного цикла составляет: для лейкоцитов 3-5 суток, эпителия кожи – 20-25 суток, эпителия роговицы глаза – 2-3 суток, клеток костного мозга 8-12 ч., а нервные клетки живут, как правило, столько, сколько и человек, не завершая клеточный цикл.
Пресинтетическая фаза – G1 (gap1, от англ. «промежуток, интервал»).
На этой фазе клетка любо вступает на путь пролиферации, и в ней начинается синтез ДНК, либо клетка попадает в фазу покоя (G0). В клетках в фазе покоя происходят все обменные процессы, но она не делится. Процессы, протекающие в этой фазе, зависят от дальнейшей судьбы клетки. Если клетка готовится к делению, то в этот период происходит накопление продуктов, необходимых для репликации хромосом, для удвоения центриолей и формирования митотического аппарата. В таких клетках существует специальная система, контролирующая клеточный цикл в пресинтетической фазе. Эта система задерживает переход в фазу синтеза ДНК до тех пор, пока в клетке не будет достаточного запаса компонентов для завершения всех последовательных биосинтезов, необходимых в фазах S, G2 и при делении клетки.
Высокая специализация клетки «обрекает» ее на дальнейшее совершенствование для организма – сохранить высокоспециализированные клетки (например, нервные), такие клетки не завершают клеточный цикл. Каждая клетка организма имеет свою генетическую «программу жизни», которая включает выполнение специфических функций, и имеет определенную продолжительность жизни (например, лимфоциты живут от 3 дней до 3 месяцев, эритроциты – 120 дней, а сегментноядерные нейтрофилы – 8 часов).
Синтетическая фаза – S (от англ. Synthesis)
Поскольку каждая хромосома человека состоит из одной молекулы ДНК, то для полной репликации такой молекулы с помощью одной репликационной вилки – репликона – потребовалось бы около 800 часов. Реально эта фаза продолжается 8-10 часов. Репликация ДНК в фазе S у человека начинается сразу во многих точках генома, и каждая хромосома имеет несколько репликонов (от 20 до 80).
Постсинтетическая фаза.
Обеспечивает подготовку клеток к делению. Показано, что деление клетки не начинается, если блокируется синтез белков в G2. В этот период происходит активное накопление энергии и ферментов, необходимых для реализации последующего деления, увеличение числа митохондрий, накопление АТФ, активизация биосинтеза для обеспечения репликации центриолей и начала образования веретена деления. Далее клетки вступают в период деления. После деления цикл повторяется. Клеточный цикл занимает около 16 часов, причем на митоз приходится около часа.
Типы делений клеток.
1. Митоз – непрямое деление соматических клеток, в результате которого из одной клетки образуются две точно такие же с наборами хромосом, идентичными родительскому. Это универсальный способ увеличения количества или замещения погибших клеток.
2. Мейоз – редукционное деление половых клеток. Оно приводит к уменьшению содержания наследственного материала во вновь образующихся клетках.
Митоз.
Профаза. Занимает более половины процесса митоза. Наблюдается расхождение двух пар центриолей из области центромеры к полюсам клетки. Эти органоиды отвечают за формирование веретена деления, состоящего из микротрубочек. Хроматин конденсируется, образуя хромосомы, ядрышко и ядерная оболочка распадаются, кариоплазма и цитоплазма смешиваются, хромосомы перемещаются в экваториальную плоскость клетки. Это самая продолжительная фаза.
Метафаза – хромосомы выстраиваются в одной плоскости по экватору, их центромеры располагаются в строго экваториальной плоскости. Число фигур равно диплоидному набору хромосом, каждая фигура представлена парой сестринских хроматид, образованных в процессе репликации ДНК (в s-периоде). Нити веретена деления прикрепляются к центромере каждой хромосомы. Это самая короткая фаза.
Анафаза – центромера делится, нити веретена деления сокращаются, сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам клетки.
Телофаза – хромосомы концентрируются вокруг соответствующих клеточных центров и деспирализуются. Начинают формироваться ядрышко и ядерные оболочки. Наступает цитокинез – деление цитоплазмы на две равные части – будущие дочерние клетки. Образуется перемычка, которая формирует две новые клетки.
Биологическое значение митоза:
Митоз лежит в основе роста, приводящих к образованию из зиготы взрослого организма.
В некоторых случаях образуются новые ядра, но цитогенез не происходит. При этом образуются многоядерные клетки, выполняющие специфические функции (например, клетки печени человека). В аномальных случаях наблюдается неконтролируемое деление соматических клеток и развивается опухоль.
1. Точная передача наследственного материала.
2. Увеличение числа клеток, т.е. один из главных механизмов роста организма. Благодаря митозу происходит постоянное пополнение красных клеток крови – эритроцитов.
3. Способ регенерации (замещения) клеток. Активные митотические деления наблюдаются при замещении клеток в какой-либо ткани, например, при залечивании ран или при замене отмирающих клеток эпидермиса.
Патология митоза.
Различные факторы внешней среды могут нарушить процесс митоза и приводить к появлению аномальных клеток. Выделяют три типа нарушений митоза:
1. Изменение структуры хромосом. При этом возможно появление разрывов хромосом, наличие отдельных мелких хромосомных фрагментов. Подобная патология возникает под действием радиации, некоторых химических веществ, вирусов, а также в раковых клетках. В некоторых случаях хромосомы могут отстать от других в анафазе и не попасть в свою клетку. Это приводит к изменению количества хромосом в дочерних клетках, т.е. к анеуплоидии.
2. Повреждение веретена деления. Это нарушает его функцию распределения хромосом между дочерними клетками. В результате возможно появление клеток, содержащих значительный избыток хромосом (например, 92). Подобное действие характерно для многих противоопухолевых препаратов. Таким образом тормозится деление клеток опухолей.
3. Нарушение цитотомии, т.е. отсутствие деления цитоплазмы клетки в периоде телофазы. Вследствие этого образуются двуядерные клетки.
Патология митоза может приводить к появлению мозаицизма. В случае мозаицизма в одном организме можно обнаружить клоны клеток с разным набором хромосом (например, часть клеток у человека содержит 46 хромосом, в то время как другие – 47).
Мейоз.
Сопровождается уменьшением числа хромосом с диплоидного до гаплоидного и состоит из двух последовательных делений ядра. Во время мейоза клетка делится дважды, но хромосомы удваиваются только один раз. Тогда при слиянии двух половых клеток новый организм вновь обретет диплоидный набор хромосом.
Интерфаза, предшествующая мейозу, аналогична митотической и включает удвоение хромосом в синтетическом периоде.
Первое деление.
Профаза 1. Процессы:
· спирализация и уплотнение хромосом. Появляются тонкие перекрученные нити хромосом. Нити в основном одиночные.
· конъюгация (соединение) сначала отдельных участков гомологичных хромосом, затем они соединяются по всей длине. Сцепленные таким образом две хромосомы называют бивалентом. Соединение хромосом обеспечивает важный процесс обмена участками хроматид между гомологичными хромосомами, называемый кроссинговером. Этот процесс делает возможным образование новых комбинаций отцовских и материнских генов в половых клетках.
· Гомологичные хромосомы почти расходятся друг от друга. Теперь видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, сцепленных в некоторых участках, которые называются хиазмами (от греч. chiasma – перекрест).
· Максимальное утолщение и укорочение хромосом путем спирализации. Хиазмы смещаются к концам хроматид и постепенно исчезают. Биваленты перемещаются в экваториальную плоскость. К моменту завершения диакинеза ядерная мембрана и ядрышки растворяются. Формируется веретено деления.
Метафаза 1. Хромосомы (биваленты) располагаются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластинку. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам каждого бивалента. Гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и растягиваются к разным полюсам, но на концах хроматид сохраняются хиазмы. Отличие анафазы мейоза от анафазы митоза заключается в том, что в редуцированный гаплоидный набор попадает по одной гомологичной хромосоме из бивалента.
Анафаза 1. Окончательное разделение гомологичных хромосом. Нити веретена деления тянут центромеры, каждая из которых связана с двумя хроматидами, к противоположным полюсам веретена деления клетки, увлекая за собой по паре хроматид. В результате хромосомы разделяются на два гаплоидные набора, попадающие в разные клетки.
Телофаза 1. Число хромосом в одном наборе стало вдвое меньше, но находящиеся в каждом полюсе хромосомы состоят из двух хроматид. Вследствие кроссинговера при образовании хиазм эти хроматиды генетически не идентичны. Образуются ядерные оболочки, клетка делится на две части.
Между двумя делениями мейоза может быть короткая интерфаза или стадия интеркинеза. Иногда ее нет совсем. Удвоение хромосом не происходит.
Второе деление – эквационное. Состоит из тех же фаз.
Профаза 2. Хромосомы спирализуются, исчезает ядерная оболочка и ядрышко, формируется веретено деления.
Метафаза 2. Хромосомы прикрепляются к нитям веретена деления в области центромеры.
Анафаза 2. После продольного деления центромеры одна хроматида идет к одному полюсу, а другая – к другому, превращаясь таким образом в хромосомы.
Телофаза 2. Образуется 4 гаплоидных ядра. Происходит цитокинез, который завершается образованием 4 клеток. Каждая из клеток имеет гаплоидный набор хромосом, структура которых состоит из одной хроматиды.
Биологическое значение мейоза:
1. Половое размножение. У организмов, размножающихся половым путем, в результате мейоза образуются 4 дочерние клетки, каждая из которых содержит половинное число хромосом по сравнению с родительской клеткой. При данном типе размножения для развития нового организма необходимо оплодотворение, т.е. слияние двух половых клеток, в результате которого восстанавливается диплоидный набор хромосом, характерный для данного вида.
2. Генетическая изменчивость. Мейоз создает возможности для возникновения в клетках новых генных комбинаций. Это ведет к изменениям в генотипе и фенотипе потомства, получаемого в результате слияния гамет. Механизмы мейоза, участвующие в создании этой изменчивости следующие:
- уменьшение числа хромосом от диплоидного до гаплоидного сопровождается расхождением (разделением аллелей так, что каждая гамета несет только один аллель по данному локусу);
- расположение бивалентов в экваториальной пластинке веретена в метафазе 1 и хромосом в метафазе 2 определяется случайным образом. Последующее их разделение в анафазах создает новые комбинации аллелей в гаметах. Этот процесс называется независимым распределением и лежит в основе 2 закона Менделя;
- в результате образования хиазм между гомологичными хромосомами в профазе 1 часто происходит кроссинговер, ведущий к возникновению новых комбинаций аллелей в хромосомах половых клеток. При этом распадаются существовавшие группы сцепления и возникают новые.
Патология мейоза.
Как и митоз, процесс мейоза может нарушаться под влияние различных внешних повреждающих факторов. Патология этого типа деления клеток обычно приводит к сбою в процессе распределения хромосом в гаметах. В зависимости от этого выделяют простое, последовательное и двойное нерасхождение.
При простом нерасхождении происходит неправильное распределение хромосом по клеткам либо в первом, либо во втором делении мейоза. Если затрагивается мейоз 1, то все зрелые гаметы будут иметь патологический набор хромосом (анеуплоидию). Патология меойза 2 реализуется в изменении хромосом только части гамет.
Последовательное нерасхождение затрагивает оба деления мейоза. В этом случае нормальные гаметы не образуются.
Крайне редко мейоз повреждается у обоих родителей. В этих случаях регистрируется двойное нерасхождение.
Кроме этих нарушений можно выделить следующие виды нерасхождений хромосом:
· Первичное, которое происходит в мейозе у людей с первоначально нормальным набором хромосом.
· Вторичное, возникающее у человека, изначально имеющего патологический набор хромосом.
· Третичное, формирующеея в мейозе у людей, являющихся носителями сбалансированных перестроек хромосом.
Сбалансированные изменения хромосом не нарушают состояние здоровья человека, который имеет их в своем кариотипе. При мейозе этот баланс может не сохраниться. В такой ситуации гаметы получат аномальный набор хромосом.
