Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз

Жизненный цикл клетки. Митоз. Амитоз

Как известно, новые клетки образуются в результате деления материнской клетки на две дочерние, обладающие идентичным между собой и таким же, как и у материнской клетки, наследственным материалом. Такое равномерное распределение генов между дочерними клетками возможно благодаря удвоению ДНК перед началом деления исходной материнской клетки. Этот способ передачи генетической информации от родителей к потомкам имеет важное значение для целостности и сохранности биологических видов и реализуется в результате жизнедеятельности каждой клетки.

Период существования клетки от момента её образования в результате деления материнской клетки до её собственного деления или гибели, называется жизненным циклом клетки, или клеточным циклом.

В течение этого времени клетка растёт, развивается, выполняет определённые функции в организме, после чего делится, образуя новые клетки. Жизненный цикл разных клеток может продолжаться от нескольких минут до десятков лет и состоит из двух фаз: интерфазы и фазы деления.

Интерфаза – это период активной жизнедеятельности клетки, который условно можно разделить на три периода.

Первый, пресинтетический период, предшествует синтезу ДНК. В этот период вновь образовавшаяся клетка растёт до нормальных размеров, активно синтезирует белки и компоненты нуклеиновых кислот, запасает энергию. Продолжительность этого периода у разных клеток – от 2 часов до нескольких суток. Затем клетка начинает выполнять свойственные ей функции, что у некоторых клеток может продолжаться годами до тех пор, пока клетка не будет готова к следующему периоду – синтетическому.

Основные события синтетического периода – интенсивный синтез молекул ДНК и РНК, удвоение хромосом, каждая из которых к концу периода состоит из двух идентичных хроматид, соединённых центромерой. Процесс удвоения молекул ДНК называется репликацией, или редупликацией, и осуществляется следующим образом: водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями под воздействием специального фермента разрываются, участок материнской молекулы ДНК раскручивается на две нити, каждая из которых выступает в роли матрицы для синтеза новых цепочек ДНК. Далее с помощью фермента ДНК-полимеразы собираются дочерние цепочки, комплементарные материнским. Репликация проходит одновременно на обеих материнских цепях, но с разной скоростью. Репликация проходит одновременно на нескольких участках молекулы ДНК, и вновь синтезированные фрагменты сшиваются между собой при помощи фермента ДНК -лигазы. В итоге из одной молекулы ДНК образуется две, каждая из которых включает материнскую и дочернюю цепочки. Синтезированные молекулы являются абсолютными копиями друг друга и материнской молекулы ДНК. Такой способ репликации ДНК обеспечивает точную передачу дочерним молекулам той генетической информации, которая была записана в материнской молекуле.

Длится синтетический период 6-10 часов.

Постсинтетический период обычно короче двух предыдущих и длится от 2 до 5 часов. За это время синтезируются белки микротрубочек, образующие веретено деления, накапливается энергия, необходимая для митотического деления.

Завершается интерфаза делением клетки или её гибелью. Для бактерий и простейших деление клетки является основным способом размножения, поэтому практически все клетки не погибают после интерфазы, а делятся на две дочерние клетки, давая, таким образом, жизнь новым организмам. Клетки многоклеточных организмов не обладают способностью к бесконечному делению. ДНК клеток содержат специальные «гены гибели», которые в определённый момент активируются, вырабатывая в клетке особые белки, приводящие к её физиологической смерти. Таким образом, в многоклеточном организме клетки большинства тканей постоянно разрушаются и заменяются новыми. Причиной прекращения функций клеток являются не только их патологии, но и необходимость естественной регенерации. Такая генетически обусловленная гибель клеток называется апоптОзом (в перводе с греческого – «опадание листьев»).

Апоптоз играет важную роль во время закладки органов и дифференцировки тканей на эмбриональном этапе развития организма, способствует формированию характерных для данного биологического вида особенностей морфофункциональной организации. Например, постэмбриональное развитие некоторых земноводных и насекомых проходит с превращением –метаморфозом. Насекомые с полным превращением имеют четыре фазы развития: яйцо, личинку, куколку и взрослое насекомое (имаго). У насекомых с неполным превращением из яиц вылупляются личинки, похожие по внешнему виду на взрослое насекомое, но отличающееся от него меньшими размерами и недоразвитыми крыльями и половой системой. 

Одними из первых генетические механизмы программируемой клеточной смерти исследовали южно-африканский биолог Сидней БрЕннер, американский биолог Роберт ХОрвиц и британский биолог Джон САлстон, которые получили за эти исследования Нобелевскую премию в области медицины и физиологии 2002 года.

Если клетка не погибает после интерфазы, то она приступает к процессу деления. Существует два способа деления соматических клеток – прямое деление, или амитоз, и непрямое деление, или митоз.

Прямым делением при помощи поперечной перетяжки могут делиться клетки прокариот. У эукариот амитоз встречается довольно редко. При таком способе деления без подготовительной фазы, т.е. без предварительного удвоения хромосом начинается деление клеточного ядра, при котором наследственный материал материнской клетки распределяется между дочерними клетками неравномерно. Часто при амитозе не происходит и цитокинеза – разделения цитоплазмы, в результате чего образуется дефектная двуядерная клетка. И даже при наступлении цитокинеза образуются две неполноценные клетки. Такой способ прямого деления, амитоз, характерен для старых отмирающих тканей, а также для раковых клеток.

Подавляющему большинству соматических клеток присуще непрямое, или митотическое деление. В результате митоза генетический материал клетки удваивается и равномерно распределяется между двумя дочерними клетками. Митоз состоит из двух последовательных процессов – деления ядра, или кариокинеза и деления цитоплазмы, или цитокинеза. Продолжительность непрямого деления клеток варьирует от 30-60 мин у животных клеток до 2-3 часов у растительных клеток.

Митоз состоит из четырёх фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы.

Во время профазы в ядре исчезают ядрышки, спирализуются  и становятся отчётливо видны в световой микроскоп хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид, соединённых в области центромеры, образуется веретено деления, исчезает ядерная оболочка.

Во время метафазы центромеры хромосом располагаются вдоль экватора клетки, образуя метафазную пластинку. Каждая центромера соединяется с нитями веретена деления.

В анафазе каждая хромосома разделяется на две хроматиды, которые благодаря нитям веретена деления расходятся к полюсам клетки. Таким образом, на полюсах клетки оказываются идентичные наборы хромосом.

В телофазе хромосомы, расположенные на полюсах клетки деспирализуются, вокруг них образуются ядерные мембраны и образуются ядра дочерних клеток, начинается активный синтез белков, образуются ядрышки, нити веретена деления разрушаются.

Телофазой завершается кариокинез, за которым следует цитокенез, проходящий у растительных и животных клеток не одинаково. В животной клетке по линии экватора возникает перетяжка, в образовании которой участвуют структуры цитоскелета. Перетяжка углубляется до тех пор, пока цитоплазма не разделится надвое.

В растительных клетках, окружённых твёрдой клеточной стенкой, разделение цитоплазмы происходит после образования внутриклеточной перегородки.

С момента разделения дочерних клеток для каждой из них наступает этап подготовки к новому делению – интерфаза.

Впервые ряд стадий митотического цикла в спорах плаунов описал в 1874 Иван Дорофеевич Чистяков. Детальные исследования по морфологии митоза впервые были выполнены Эдуардом Страсбургером на растениях (1876—79 гг). В конце 1870-х — начале 1880-х годов немецкий гистолог Вальтер ФлЕмминг описал непрямое деление клеток животных и для его обозначения ввёл термин «митоз».