ЛЕКЦИЯ №3
Раздел 2. Тема 3. «Деление клеток».
Вопрос 1. Непрямое деление клеток – митоз.
Вопрос 2. Мейоз.
Вопрос 1. Непрямое деление клеток – митоз.
Митоз — основной способ деления эукариотических клеток, при котором сначала происходит удвоение, а затем равномерное распределение между дочерними клетками наследственного материала.
Интерфаза (Период нормальной жизнедеятельности клетки между делениями, когда происходит реализация наследственной информации, рост и развитие клетки) состоит из трех периодов:
1. Пресинтетический период (2n 2c, где n — число хромосом, с — число молекул ДНК) — рост клетки, активизация процессов биологического синтеза, подготовка к следующему периоду.
2. Синтетический период (2n 4c) — репликация ДНК.
3. Постсинтетический период (2n 4c) — подготовка клетки к митозу, синтез и накопление белков и энергии для предстоящего деления, увеличение количества органоидов, удвоение центриолей.
Митотический период характеризуется протеканием митотического (непрямого) деления клетки включающего деление ядра (кариокинез) и разделение цитоплазмы (цитокинез). Митоз, занимающий 5-10% времени жизненного цикла и продолжающийся, например, в животной клетке 1-2 часа, подразделяется на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
Профаза является самой продолжительной фазой митоза. Она начинается процессом конденсации хромосом, которые обретают, при рассмотрении в световой микроскоп, вид тёмных нитевидных образований. При этом каждая хромосома состоит из двух хроматид, расположенных параллельно и соединенных между собой в области центромеры. Одновременно с конденсацией хромосом происходит диспергация, или распыление ядрышек, которые перестают быть видимыми в световой микроскоп, что связано с вхождением ядрышковых организаторов в состав различных пар хромосом.Соответствующие гены, кодирующие р-РНК, инактивируются.
С середины профазы начинает разрушаться кариолемма, распадаясь на фрагменты, а затем на мелкие мембранные пузырьки. Гранулярная эндоплазматическая сеть распадается на короткие цистерны и вакуоли, на мембранах которых резко уменьшается количество рибосом. Такие изменения приводят к резкому падению уровня синтеза белка в делящейся клетке.
Важнейшим процессом профазы является формирование митотического веретена. Центриоли начинают расходиться к противоположным концам клетки, где впоследствии сформируются полюсы веретена. К каждому полюсу перемещается диплосома (две центриоли). Одновременно формируются микротрубочки, отходящие от одной центриоли каждой диплосомы. Формирующееся в результате этого образование имеет в животной клетке веретеновидную форму, в связи с чем получило название «веретена деления» клетки. Оно состоит из трёх зон: двух зон центросфер с центриолями внутри них и располагающейся между ними зоны нитей веретена деления. Все три зоны содержат большое количество микротрубочек. Последние входят в состав центросфер, располагаясь вокруг центриолей, формируют нити веретена, а также подходят к центромерам хромосом. Микротрубочки, тянущиеся от одного полюса к другому (не прикрепляющиеся к центромерам хромосом), получили название полюсных микротрубочек. Микротрубочки, отходящие от кинетохоров (центромер) каждой хромосомы к полюсу веретена, названы кинетохорными микротрубочками (нитями). Входящие в состав центросфер и лежащие вне веретена деления микротрубочки, ориентированные от центриолей к плазмолемме названы астральными микротрубочками, или микротрубочками сияния. Все микротрубочки веретена находятся в динамическом равновесии между сборкой и разборкой. Центромеры (кинетохоры) сами способны индуцировать сборку микротрубочек. Следовательно, цен- триоли и хромосомные центромеры являются в животной клетке центрами организации микротрубочек веретена деления.В индукции роста микротрубочек в зоне полюса деления принимает участие только одна (материнская) центриоль.
Метафаза занимает около трети времени всего митоза. В течение этой фазы заканчивается образование веретена деления и достигается максимальный уровень конденсации хромосом. Последние выстраиваются в области экватора митотического веретена, формируя так называемую «метафазную (экваториальную) пластинку» или «материнскую звезду». Хромосомы удерживаются в экваториальной плоскости благодаря сбалансированному натяжению центромерных (кинетохорных) микротрубочек. К концу метафазы завершается обособление сестринских хроматид:их плечи лежат параллельно друг другу, а между ними видна разделяющая их щель. Последним местом контакта между хроматидами остаётся центромера.
Анафаза является самой короткой фазой, занимающей лишь несколько процентов времени митоза. Она начинается утратой связи между сестринскими хроматидами в области центромер и движением хроматид (дочерних хромосом) к противоположным полюсам клетки. Скорость перемещения хроматид вдоль трубочек веретена составляет 0,2-0,5 мкм/мин. Инициирует начало анафазы резкое повышение концентрации ионов Са2+ в гиалоплазме, выделяемых скопившимися у полюсов веретена мембранными пузырьками.
Движение хромосом складывается из двух процессов: расхождения их по направлению к полюсам и дополнительного расхождения самих полюсов.
Предположения о сокращении (саморазборке) микротрубочек как о механизме расхождения хромосом в митозе не подтвердились. Поэтому многие исследователи поддерживают гипотезу «скользящих нитей», согласно которой соседние микротрубочки, взаимодействуя друг с другом (например, хромосомные и полюсные) и с сократительными белками (миозин, динеин), тянут хромосомы к полюсам.
Анафаза завершается скоплением на полюсах клетки по одному, идентичному друг другу, набору хромосом, формирующему так называемую «дочернюю звезду ». В конце анафазы в животной клетке начинает образовываться клеточная перетяжка, углубляющаяся в следующей фазе и приводящая к цитотомии (цитокинезу). В её образовании участвуют актиновые миофиламенты, концентрирующиеся по окружности клетки в виде «сократимого кольца».
Телофаза - конечная стадии митоза - вокруг каждой полюсной группы хромосом (дочерние звёзды) образуется ядерная оболочка:фрагменты кариолеммы (мембранные пузырьки) связываются с поверхностью отдельных хромосом, частично окружают каждую из них и только после этого сливаются, образуя полную ядерную оболочку. После восстановления ядерной оболочки возобновляется синтез РНК,из соответствующих участков (ядрышковых организаторов) хромосом оформляется ядрышко и деконденсируется хроматин,переходя в типичное для интерфазы дисперсное состояние.
Ядра клеток постепенно увеличиваются, а хромосомы прогрессивно деспирализуются и исчезают. Одновременно углубляется клеточная перетяжка, а соединяющий их цитоплазматический мостик с пучком микротрубочек внутри сужается. Последующая перешнуровка цитоплазмы завершает разделение цитоплазмы (цитокинез).Равномерному разделению органелл между дочерними клетками способствует их большое количество в клетке (митохондрии) либо распад во время митоза на мелкие фрагменты и мембранные пузырьки.
В сжатом виде характеристику стадий митоза можно представить вследующеи виде.
Профаза (2n 4c где n число хромосом, а с чило хроматид) — демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления, «исчезновение» ядрышек, конденсация двухроматидных хромосом.
Метафаза (2n 4c) — выстраивание максимально конденсированных двухроматидных хромосом в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка), прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим — к центромерам хромосом.
Анафаза (4n 4c) — деление двухроматидных хромосом на хроматиды и расхождение этих сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки (при этом хроматиды становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами).
Телофаза (2n 2c в каждой дочерней клетке) — деконденсация хромосом, образование вокруг каждой группы хромосом ядерных мембран, распад нитей веретена деления, появление ядрышка, деление цитоплазмы (цитотомия). Цитотомия в животных клетках происходит за счет борозды деления, в растительных клетках — за счет клеточной пластинки.
Образовавшиеся в результате этого способа деления дочерние клетки являются генетически идентичными материнской. Митоз обеспечивает постоянство хромосомного набора в ряду поколений клеток. Лежит в основе таких процессов, как рост, регенерация, бесполое размножение и др.
Атипический митоз.
Такой процесс деления клетки может происходить при повреждении веретена деления, что приводит к неравномерному распределению генетического материала между клетками (анэуплоидия). Отдельные атипические митозы, при которых цитотомия отсутствует, завершаются образованием гигантских клеток. Атипичные митозы свойственны обычно клеткам злокачественных опухолей и облучённых тканей.
Существует вариант митотического деления, при котором ядерная оболочка не разрушается и веретено деления не формируется. Удвоившийся набор хромосом остаётся в одном ядре. Такое деление клетки названо эндомитозом. Повторные эндомитозы ведут к полиплоидии - значительному увеличению числа хромосом в ядре. Полиплоидия может быть результатом обычных незавершённых митозов. Полиплоидные клетки отличаются повышенной функциональной активностью.
Вопрос 2. Мейоз.
Это особый способ клеточного деления, обусловливающий возникновение гаплоидных клеток и характеризующийся перекомбинированием наследственного материала между гомологичными хромосомами. Мейоз открыт В. Флемингом (1882) у животных. Мейоз начинается после репликации ДНК в предшествующей ему интерфазе. Отличительная особенность клеточного деления посредством мейоза - сложная и сильно растянутая во времени профаза.
Мейоз состоит из двух последовательных делений. В проыессе первого образуются клетки сгаплоидным набором хромосом и происходит собственно рекомбинация генов. Оно как и митоз включает 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
Профаза первого деления мейоза подразделяется на 5 стадий:
1. лептотена (стадией тонких нитей), происходит спирализация ДНК ооцита, в ходе которой появляются плотные интенсивно окрашиваемые тельца. Формирующиеся хромосомы имеют вид нитей с утолщениями по длине.
2. зиготена - продолжается спирализация ДНК, а гомологичные хромосомы сближаются и образуют пары (синапсис хромосом).
3. пахитена из-за продолжающейся спирализации хромосомы утолщаются до такой степени, что в ооцитах уже видны попарно расположенные гомологичные хромосомы (биваленты). Поскольку каждая гомологичная хромосома состоит из двух хроматид, то бивалент (комплекс из пары гомологичных хромосом), представленный четырьмя хроматидами, получил название тетрады. На стадии пахитены начинается кроссинговер - взаимный обмен одним или несколькими генами между спаренными (гомологичными) хромосомами в результате разрыва хроматид и воссоединения их участков в другом порядке. Места контакта (хиазмы) сохраняются и в следующей стадии
4. диплотена, В местах контакта мужской и женской хроматид ослабляется связь между генами и происходит обмен гомологичными генами между конъюгирующими (гомологичными) хромосомами. В стадии диплотены происходит дальнейшая спирализация хромосом, но в ооцитах многих животных, накапливающих желток, хромосомы, наоборот, деконденсируются и приобретают вид «ламповых щёток» (фаза диктиотены). Такое разрыхление хромосом сопровождается активизацией процесса синтеза РНК и белка (что необходимо для накопления ооцитом желтка), У насекомых хромосомы типа «ламповых щёток» могут существовать год и более, у человека - 12-50 лет.
5. диакинез (расхождение двойных нитей) - уменьшается число хиазм, парные хромосомы частично расходятся, начинает образовываться веретено деления.
В метафазе I, следующей за длинной и сложной профазой I, пары хромосом (биваленты) выстраиваются по экватору клетки, образуя экваториальную пластинку. В этой фазе можно определить число хиазм. В среднем в ооците I женщины их насчитывается 42-50.
В анафазе I к полюсам расходятся гомологичные хромосомы (диады), состоящие каждая из двух хроматид.
В телофазе I происходит цитотомия и образуются один ооцит II и первое редукционное тельце либо два сперматоцита II порядка с гаплоидным набором хромосом. После этого начинается укороченная интерфаза
Далее следует фактически метафаза второго (эквационного) деления мейоза. Хромосомы (диады, т.к. состоят из двух хроматид) выстраиваются по экватору клетки.
В анафазе II к полюсам отходит по одной хроматиде из каждой хромосомы.
В телофазе II образуются яйцеклетка и второе направительное тельце либо 4 сперматиды, содержащие гаплоидный набор хромосом, причём каждая хромосома состоит только из одной хроматиды. Примечательно, что второе (эквационное) деление мейоза завершается только после выхода ооцита II из яичника (после овуляции) и для его завершения необходимо, чтобы произошло оплодотворение клетки сперматозоидом. Последние стадии оогенеза удаётся воспроизводить вне организма женщины в искусственной среде. Это позволяет осуществлять оплодотворение яйцеклетки in vitro (в пробирке). Яйцеклетку извлекают из яичника хирургическим путём ещё до овуляции и переносят в питательную среду со сперматозоидами, где после оплодотворения начинается развитие зиготы
Мейоз, имеющий место в процессе гаметогенеза, обладает важным общебиологическим значением: случайное расхождение отцовских и материнских хромосом в процессе мейоза, а также кроссинговер обеспечивают появление новых вариантов комбинации генов, не встречавшихся у родительских форм. Этим существенно расширяется естественный материал для эволюционного процесса.
Мейоз является центральным событием гаметогенеза у животных и спорогенеза у растений. Являясь основой комбинативной изменчивости, мейоз обеспечивает генетическое разнообразие гамет.