Жизненный цикл клетки. Митоз

Цель урока: повторение материала о способах размножения клеток.

Задачи

Образовательная: сформировать и закрепить знания о двух видах деления клеток, о значении деления клеток для одноклеточных и многоклеточных организмов, о процессах, происходящих в различных фазах митоза и мейоза, об отличиях мейоза и митоза.

Развивающая: развитие умений работать в группе, характеризовать объекты и явления, сравнивать их, обосновывать выводы, применять знания, оценивать себя и свои знания; развитие интереса к предмету.

Воспитательная: воспитание уважительного отношения друг к другу.

Оборудование: листы ватмана и бумаги, фломастеры, клей, скотч, ножницы, файлы с заданиями, карточка-инструкция для каждой команды.

Подготовка к уроку

1. На предыдущем уроке учащихся следует ознакомить с принципами и правилами проведения урока-мастерской.

2. Так как тема «Деление клетки» изучалась в 9-м классе и учащиеся многое забыли, в качестве домашнего задания они должны были повторить материал по теме: «Деление клетки».

Деление класса на команды

Учащимся предлагается выбрать один из следующих вопросов и записать его на листке бумаги. (Вероятнее всего ученик выберет вопрос, ответ на который он знает или предполагает, что знает.)

В чем биологический смысл мейоза?
Чем отличается митоз от мейоза?
В чем заключается биологический смысл митоза?

Из листка с написанным вопросом надо сложить бумажный самолетик. Встав в круг, учащиеся запускают свои самолетики (все одновременно по команде учителя) и, подняв упавший рядом самолетик, повторяют эту операцию 2 раза. Раскрыв самолетики, учащиеся распределяются на три команды – по одинаковым вопросам.

Каждая команда получает файл, в котором находится материал для работы: список терминов, определения, схемы, историческая справка.

Карточка-инструкция

Выберите из списка терминов (Приложение 2) те, которые имеют отношение к теме «Деление клетки. Митоз. Мейоз». Выбранные слова команды зачитывают вслух.

Подберите определения (Приложение 3), соответствующие выбранным терминам из предыдущего задания. Будьте внимательны, некоторые определения заменены! Чтобы выполнить это задание правильно, необходимо у другой команды найти и попросить свое определение. Терминами меняться нельзя!

К процессам, протекающим в клетке во время митоза или мейоза, подберите соответствующие рисунки (Приложение 4).

На лист ватмана наклейте слова, определения и рисунки в логической последовательности. Подготовьте небольшой рассказ о данном биологическом процессе.

(Команды вывешивают свои работы на стенд. Члены команд рассказывают о процессах, изображенных на ватмане.)

Ответьте на вопрос, который записан на вашем листке-«самолетике». Ответ запишите в тетради. (При выполнении этого задания можно пользоваться первоисточником. Каждая команда зачитывает свой ответ на вопрос вслух.)

Рефлексия

Вариант 1 (если до конца урока осталось много времени).

Приведите два-три аргумента в защиту того, что тему «Деление клетки. Митоз и мейоз» необходимо изучать в курсе общей биологии средней школы.

Вариант 2 (если времени недостаточно).

Довольны ли вы уроком, своей работой на уроке? Подумайте, оцените свое эмоциональное состояние. Запишите ответ на листочке и, уходя, прикрепите на стенд.

Домашнее задание

Ответьте на следующие вопросы.

Какие факторы вызывают нарушение митоза и мейоза?
К каким последствиям это может привести?

Приложение 1. Историческая справка

Флемминг Вальтер (1843–1905), немецкий гистолог. Профессор университетов в Праге (с 1873) и Киле (1876–1901). Основные труды по гистологии моллюсков, регенерации тканей, изучению соединительной и жировой тканей, строения фолликулов, клеток спинальных ганглиев и др. Особую известность приобрели его исследования тонкого строения клетки. С помощью разработанных им методов фиксации (жидкость Флемминга) и окраски изучал структуру протоплазмы, ядра, центросом и, особенно детально, процесс деления клетки (прямое и непрямое). Эти исследования имели большое значение для развития цитологии; его методы фиксации и окраски получили широкое распространение в лабораторной практике.

Страсбургер Эдвард (1844–1912), немецкий ботаник, по происхождению поляк, член Польской АН в Кракове (1888). Учился в Варшаве, Бонне и Йене. Был доцентом Варшавского (1867–1869), профессором Йенского (1869–1880) и Боннского (1880–1911) университетов. Основные труды в области цитологии, анатомии и эмбриологии растений. Исследовал митоз. Описал мейоз у высших растений, объяснил биологическое значение редукции числа хромосом. Изучал процесс оплодотворения, явления партеногенеза и апогамии. Работы ученого имели большое значение для подготовки хромосомной теории наследственности и развития представлений о генетическом единстве высших растений. Усовершенствовал методику цитологических исследований. Соавтор переиздававшегося курса ботаники (Учебник ботаники, 1894; 30-е изд. – 1971), переведенного на ряд языков, в том числе на русский.

Чистяков Иван Дорофеевич (1843–1877), русский ботаник. Окончил Московский университет (1868) и был оставлен при нем, с 1871 г. профессор и заведующий Ботаническим садом. Основоположник московской школы эмбриологов и цитологов растений. Одним из первых наблюдал и описал митоз у растений (1874).

Приложение 2. Термины

(Подчеркнутые слова – верный выбор учащихся.)

Файл № 1 (синий)

Митоз , профаза , метафаза , анафаза , телофаза , амитоз , клеточный цикл , фотосинтез.

Файл № 2 (зеленый)

Мейоз , 1-е деление , профаза 1 , метафаза 1 , анафаза 1 , телофаза 1 , кроссинговер , ассимиляция, диссимиляция.

Файл № 3 (красный)

Мейоз , 2-е деление , профаза 2 , метафаза 2 , анафаза 2 , телофаза 2 , интерфаза , полимеры.

Приложение 3. Определения

Файл № 1 (синий)

Митоз – это способ деления эукариотических клеток, при котором каждая из двух вновь возникающих клеток получает такой же генетический материал, как в исходной клетке.

Профаза – хромосомы спирализуются и становятся хорошо заметными в световой микроскоп, исчезает ядрышко, две центриоли расходятся к полюсам клетки, отходящие от них микротрубочки формируют веретено деления, ядерная оболочка распадается.

Анафаза

Телофаза – вокруг собранных у полюсов хромосом формируется ядерная оболочка, хромосомы деспирализуются (из компактных превращаются в тонкие и длинные, неразличимые в световой микроскоп). Образуются ядрышки. Эта стадия заканчивается цитокинезом (разделением цитоплазмы) и образованием двух диплоидных клеток.

Амитоз – прямое деление ядер путем перетяжки, не всегда заканчивается цитокинезом, в результате обычно возникают многоядерные клетки. После амитоза клетки не способны приступить к митотическому делению. Этот процесс характерен для отмирающих клеток.

Клеточный цикл – период жизни клетки от деления до деления, основная часть жизни клетки.

Интерфаза – период между делениями (лат. inter – между). Клетка интенсивно растет, увеличивается количество структур и веществ в клетки, количество хромосом удваивается.

(Определение интерфазы в этом файле лиш нее, а определение метафазы отсутствует .)

Файл № 2 (зеленый)

Мейоз (греч. meiosis

1-е деление – первое деление мейоза.

Профаза 1 – хромосомы начинают конденсироваться и становятся различимыми в световой микроскоп. Затем гомологичные хромосомы начинают сближаться друг с другом – конъюгировать. Пару конъюгирующих хромосом называют бивалентом (каждый бивалент образован 4 хроматидами). Заканчивается репликация ДНК. Фаза заканчивается исчезновением ядерной оболочки и ядрышка.

Метафаза 1 – биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. К центромерам прикрепляются нити веретена деления.

Анафаза 1 – бивалент распадается на две хромосомы, которые отходят к разным полюсам клетки.

Телофаза 1 – хромосомы деконденсируются (из компактных превращаются в тонкие и длинные, неразличимые в световой микроскоп). Вокруг собранных у полюсов хромосом формируется ядерная оболочка. Образуются ядрышки. Эта стадия заканчивается цитокинезом (разделением цитоплазмы) и образованием двух диплоидных клеток.

Метафаза

(Определение метафазы в этом файле лиш нее, а определение кроссинговера отсутствует .)

Файл № 3 (красный)

Мейоз (греч. meiosis – уменьшение) – это способ деления эукариотических клеток, при котором происходит редукция (уменьшение) числа хромосом, т.е. из диплоидной (содержащей двойной набор хромосом) клетки образуются гаплоидные (содержащие одинарный набор хромосом).

2-е деление – второе деление мейоза.

Профаза 2 – хромосомы спирализуются и становятся хорошо заметными в световой микроскоп, исчезает ядрышко, две центриоли расходятся к полюсам клетки, отходящие от них микротрубочки формируют веретено деления.

Метафаза 2 – все хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, на этой стадии их можно хорошо различать и сосчитать в клетке.

Анафаза 2 – стадия, во время которой сестринские хроматиды, ставшие самостоятельными хромосомами, расходятся к противоположным полюсам клетки.

Телофаза 2 – вокруг собранных у полюсов хромосом формируется ядерная оболочка. Хромосомы деспирализуются (из компактных превращаются в тонкие и длинные, неразличимые в световой микроскоп). Образуются ядрышки. Эта стадия заканчивается цитокинезом (разделением цитоплазмы) и образованием четырех гаплоидных клеток.

Кроссинговер (англ. сrossing-over – прекрест) – обмен идентичными участками гомологичных хромосом.

(Определение кроссинговера в этом файле лиш нее, а определение интерфазы отсутствует .)

Мейоз – это способ деления клеток эукариот, при котором образуются гаплоидные клетки. Этим мейоз отличается от митоза, при котором образуются диплоидные клетки.

Кроме того, мейоз протекает в два следующих друг за другом деления, которые называют соответственно первым (мейоз I) и вторым (мейоз II). Уже после первого деления клетки содержат одинарный, т. е. гаплоидный, набор хромосом. Поэтому первое деление часто называют редукционным . Хотя иногда термин «редукционное деление» применяют по отношению ко всему мейозу.

Второе деление называется эквационным и по механизму протекания сходно с митозом. В мейозе II к полюсам клетки расходятся сестринские хроматиды.

Мейозу, как и митозу, в интерфазе предшествует синтез ДНК – репликация, после которой каждая хромосома состоит уже из двух хроматид, которые называют сестринскими. Между первым и вторым делениями синтеза ДНК не происходит.

Если в результате митоза образуются две клетки, то в результате мейоза – 4. Однако если организм производит яйцеклетки, то остается только одна клетка, сконцентрировавшая в себе питательные вещества.

Количество ДНК перед первым делением принято обозначать как 2n 4c. Здесь n обозначает хромосомы, c – хроматиды. Это значит, что каждая хромосома имеет гомологичную себе пару (2n), в то же время каждая хромосома состоит из двух хроматид. С учетом наличия гомологичной хромосомы получается четыре хроматиды (4c).

После первого и перед вторым делением количество ДНК в каждой из двух дочерних клетках сокращается до 1n 2c. То есть гомологичные хромосомы расходятся в разные клетки, но продолжают состоять из двух хроматид.

После второго деления образуются четыре клетки с набором 1n 1c, т. е. в каждой присутствует только одна хромосома из пары гомологичных и состоит она только из одной хроматиды.

Ниже приводится подробное описание первого и второго мейотического деления. Обозначение фаз такое же как при митозе: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Однако протекающие в эти фазы процессы, особенно в профазе I, несколько отличаются.

Мейоз I

Профаза I

Обычно это самая длинная и сложная фаза мейоза. Протекает намного дольше, чем при митозе. Связано это с тем, что в это время гомологичные хромосомы сближаются и обмениваются участками ДНК (происходят конъюгация и кроссинговер).

Конъюгация - процесс сцепления гомологичных хромосом. Кроссинговер - обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами. Несестринские хроматиды гомологичных хромосом могут обменяться равнозначными участками. В местах, где происходит такой обмен формируется так называемая хиазма .

Спаренные гомологичные хромосомы называются бивалентами , или тетрадами . Связь сохраняется до анафазы I и обеспечивается центромерами между сестринскими хроматидами и хиазмами между несестринскими.

В профазе происходит спирализация хромосом, так что к концу фазы хромосомы приобретают характерную для них форму и размеры.

На более поздних этапах профазы I ядерная оболочка распадается на везикулы, ядрышки исчезают. Начинает формироваться мейотическое веретено деления. Образуются три вида микротрубочек веретена. Одни прикрепляются к кинетохорам, другие - к трубочкам, нарастающим с противоположного полюса (конструкция выполняет функцию распорок). Третьи формируют звезчатую структуру и прикрепляются к мембранному скелету, выполняя функцию опоры.

Центросомы с центриолями расходятся к полюсам. Микротрубочки внедряются в область бывшего ядра, прикрепляются к кинетохорам, находящимся в области центромер хромосом. При этом кинетохоры сестринских хроматид сливаются и действуют единым целым, что позволяет хроматидам одной хромосомы не разъединяться и в дальнейшем вместе отойти к одному из полюсов клетки.

Метафаза I

Окончательно формируется веретено деления. Пары гомологичных хромосом располагаются в плоскости экватора. Они выстраиваются друг против друга по экватору клетки так, что экваториальная плоскость оказывается между парами гомологичных хромосом.

Анафаза I

Гомологичные хромосомы разъединяются и расходятся к разным полюсам клетки. Из-за произошедшего в профазу кроссинговера их хроматиды уже не идентичны друг другу.

Телофаза I

Восстанавливаются ядра. Хромосомы деспирализуются в тонкий хроматин. Клетка делится надвое. У животных впячиванием мембраны. У растений образуется клеточная стенка.

Мейоз II

Интерфаза между двумя мейотическими делениями называется интеркинезом , он очень короткий. В отличие от интерфазы удвоения ДНК не происходит. По-сути она и так удвоена, просто в каждой из двух клеток содержится по одной из гомологичных хромосом. Мейоз II протекает одновременно в двух клетках, образовавшихся после мейоза I. На схеме ниже изображено деление только одной клетки из двух.

Профаза II

Короткая. Снова исчезают ядра и ядрышки, а хроматиды спирализуются. Начинает формироваться веретено деления.

Метафаза II

К каждой хромосоме, состоящей из двух хроматид, прикрепляется по две нити веретена деления. Одна нить с одного полюса, другая – с другого. Центромеры состоят из двух отдельных кинетохор. Метафазная пластинка образуется в плоскости перпендикулярной экватору метафазы I. То есть если родительская клетка в мейозе I делилась вдоль, то теперь две клетки будут делиться поперек.

Анафаза II

Белок, связывающий сестринские хроматиды, разделяется, и они расходятся к разным полюсам. Теперь сестринские хроматиды называются сестринскими хромосомами.

Телофаза II

Подобна телофазе I. Происходит деспирализация хромосом, исчезновение веретена деления, образование ядер и ядрышек, цитокинез.

Значение мейоза

В многоклеточном организме мейозом делятся только половые клетки. Поэтому главное значение мейоза – это обеспечение механизм а полового размножения, при котором сохраняется постоянство числа хромосом у вида .

Другое значение мейоза – это протекающая в профазе I перекомбинация генетической информации, т. е. комбинативная изменчивость. Новые комбинации аллелей создаются в двух случаях. 1. Когда происходит кроссинговер, т. е. несестринские хроматиды гомологичных хромосом обмениваются участками. 2. При независимом расхождении хромосом к полюсам в обоих мейотических делениях. Другими словами, каждая хромосома может оказаться в одной клетке в любой комбинации с другими негомологичными ей хромосомами.

Уже после мейоза I клетки содержат разную генетическую информацию. После второго деления все четыре клетки отличаются между собой. Это важное отличие мейоза от митоза, при котором образуются генетически идентичные клетки.

Кроссинговер и случайное расхождение хромосом и хроматид в анафазах I и II создают новые комбинации генов и являются одной из причин наследственной изменчивости организмов , благодаря которой возможна эволюция живых организмов.

Мейоз - это деление в зоне созревания половых клеток , сопровождающееся уменьшением числа хромосом вдвое. Он состоит из двух последовательно идущих деле­ний, имеющих те же фазы, что и митоз. Однако, как показано в таблице «Сравнение митоза и мейоза», продолжительность отдельных фаз и происходящие в них процессы значительно отличаются от процессов, происходящих при митозе.

Эти отличия в основном состоят в следующем.

В мейозе профаза I более продолжительна. В ней происходит конъюгация(соединение гомологичных хромосом) и обмен генетической информацией. В анафазе Iцентроме­ры, скрепляющие хроматиды, не делятся, а к полюсам отходит одна из гомологмейоза Митоз и его фазы митоза и ичных хромосом. Интерфаза перед вторым делением очень короткая, в ней ДНК не синтезируется. Клетки (галиты), образующиеся в результате двух мейотических делений, содержат гаплоидный (одинарный) набор хромосом. Диплоидность восстанавливается при слиянии двух клеток - материнской и отцовской. Опло­дотворенную яйцеклетку называютзиготой.

Митоз, или непрямое деление, наиболее широко рас­пространен в природе. Митоз лежит в основе деления всех неполовых клеток (эпителиальных, мышечных, нервных, костных и др.). Митоз состоит из четырех последователь­ных фаз (см. далее таблицу). Благодаря митозу обеспечи­вается равномерное распределение генетической информа­ции родительской клетки между дочерними. Период жизни клетки между двумя митозами называют интерфазой. Она в десятки раз продолжительнее митоза. В ней совершается ряд очень важных процессов, предшествующих делению клетки: синтезируются молекулы АТФ и белков , удваивается каждая хромосома, образуя две сестринские хроматиды, скрепленные общей центромерой, увеличивается число основных органоидов цитоплазмы.

В профазе спиралируются и вследствие этого утолща­ются хромосомы, состоящие из двух сестринских хроматид, удерживаемых вместе центромерой. К концу профазы ядерная мембрана и ядрышки исчезают и хромосомы рас­средоточиваются по всей клетке, центриоли отходят к полюсам и образуют веретено деления. В метафазе проис­ходит дальнейшая спирализация хромосом. В эту фазу они наиболее хорошо видны. Их центромеры располагаются по экватору. К ним прикрепляются нити веретена деления.

В анафазе центромеры делятся, сестринские хроматиды отделяются друг от друга и за счет сокращения нитей веретена отходят к противоположным полюсам клетки.

В телофазе цитоплазма делится, хромосомы раскручи­ваются, вновь образуются ядрышки и ядерные мембраны. В животных клетках цитоплазма перешнуровывается, в растительных - в центре материнской клетки образуется перегородка. Так из одной исходной клетки (материнской) образу­ются две новые дочерние.

Мейоз и митоз

Таблица - Сравнение митоза и мейоза

		1 деление	2 деление
Интерфаза	Набор хромосом 2n Идет интенсивный синтез белков, АТФ и других органических веществ Удваиваются хромосомы, каждая оказывается состоящей из двух сестринских хроматид, скрепленных общей центромерой.	Набор хромосом 2n Наблюдаются те же процессы, что и в митозе, но более продолжительна, особенно при обра­зовании яйцеклеток.	Набор хромосом гаплоидный (n). Синтез органических веществ отсутствует.
	Непродолжительна, происходит спирализация хро­мосом, исчезают ядерная оболочка, ядрышко, образуется веретено деления	Более длительна. В начале фазы те же процессы, что и в митозе. Кроме того, происходит конъюгация хромосом, при которой гомологичные хромосомы сближаются по всей длине и скру­чиваются. При этом может происходить обмен генетической информацией (перекрест хромосом) -кроссинговер . Затем хромосомы расходятся.	Короткая; те же процессы, что и в митозе, но при nхромосом.
Метафаза	Происходит дальнейшая спирализация хромосом, их центромеры располагаются по экватору.	Происходят процессы, аналогичные тем, что и в митозе.
	Центромеры, скрепляющие се­стринские хроматиды, делятся, каждая из них становится новой хромосомой и отходит к противоположным полюсам.	Центромеры не делятся. К противоположным полюсам отходит одна из гомологичных хро­мосом, состоящая из двух хроматид, скрепленных общей центромерой.	Происходит то же, что и в митозе, но при nхромосом.
Телофаза	Делится цитоплазма, образуются две дочерние клетки, каждая с диплоидным набором хромосом. Исчезает веретено деления, формируются ядрышки.	Длится недолго Гомологичные хро­мосомы попадают в разные клетки с гаплоидным набором хромосом. Цитоплазма делится не всегда.	Делится цитоплазма. После двух мейотических делений образуется 4 клетки с гаплоидным набором хромосом.

Клеточный цикл - это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления.

Длительность клеточного цикла эукариот

Длительность клеточного цикла у разных клеток варьируется. Быстро размножающиеся клетки взрослых организмов, такие как кроветворные или базальные клетки эпидермиса и тонкой кишки, могут входить в клеточный цикл каждые 12-36 ч. Короткие клеточные циклы (около 30 мин) наблюдаются при быстром дроблении яиц иглокожих , земноводных и других животных. В экспериментальных условиях короткий клеточный цикл (около 20 ч) имеют многие линии клеточных культур. У большинства активно делящихся клеток длительность периода между митозами составляет примерно 10-24 ч.

Фазы клеточного цикла эукариот

Клеточный цикл эукариот состоит из двух периодов:

Период клеточного роста, называемый «интерфаза », во время которого идет синтез ДНК и белков и осуществляется подготовка к делению клетки.

Периода клеточного деления, называемый «фаза М» (от слова mitosis - митоз ).

Интерфаза состоит из нескольких периодов:

G 1 -фазы (от англ. gap - промежуток), или фазы начального роста , во время которой идет синтез мРНК , белков , других клеточных компонентов;

S-фазы (от англ. synthesis - синтез), во время которой идет репликация ДНК клеточного ядра , также происходит удвоение центриолей (если они, конечно, есть).

G 2 -фазы, во время которой идет подготовка к митозу .

У дифференцировавшихся клеток, которые более не делятся, в клеточном цикле может отсутствовать G 1 фаза. Такие клетки находятся в фазе покоя G 0 .

Период клеточного деления (фаза М) включает две стадии:

-кариокинез (деление клеточного ядра);

-цитокинез (деление цитоплазмы).

В свою очередь, митоз делится на пять стадий.

Описание клеточного деления базируется на данных световой микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой и на результатахсветовой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток.

Регуляция клеточного цикла

Закономерная последовательность смены периодов клеточного цикла осуществляется при взаимодействии таких белков , какциклин-зависимые киназы и циклины . Клетки , находящиеся в G 0 фазе, могут вступать в клеточный цикл при действии на нихфакторов роста . Разные факторы роста, такие как тромбоцитарный , эпидермальный, фактор роста нервов, связываясь со своимирецепторами , запускают внутриклеточный сигнальный каскад, приводящий в итоге к транскрипции генов циклинов и циклин-зависимых киназ . Циклин-зависимые киназы становятся активными лишь при взаимодействии с соответствующими циклинами . Содержание различных циклинов в клетке меняется на протяжении всего клеточного цикла. Циклин является регуляторной компонентой комплекса циклин-циклин-зависимая киназа. Киназа же является каталитическим компонентом этого комплекса.Киназы не активны без циклинов . На разных стадиях клеточного цикла синтезируются разные циклины . Так, содержание циклина B в ооцитах лягушки достигает максимума к моменту митоза , когда запускается весь каскад реакций фосфорилирования , катализируемых комплексом циклин-В/циклин-зависимая киназа. К окончанию митоза циклин быстро разрушается протеиназами.

Контрольные точки клеточного цикла

Для определения завершения каждой фазы клеточного цикла необходимо наличие в нем контрольных точек. Если клетка «проходит» контрольную точку, то она продолжается «двигаться» по клеточному циклу. Если же какие-либо обстоятельства, например повреждение ДНК, мешают клетке пройти через контрольную точку, которую можно сравнить со своего рода контрольным пунктом, то клетка останавливается и другой фазы клеточного цикла не наступает по крайней мере до тех пор, пока не будут устранены препятствия, не позволявшие клетке пройти через контрольный пункт. Существует как минимум четыре контрольных точки клеточного цикла: точка в G1, где проверяется интактность ДНК, перед вхождением в S-фазу, сверочная точка в S-фазе, в которой проверяется правильность репликации ДНК, сверочная точка в G2, в которой проверяются повреждения, пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек, либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла. В G2 фазе детектируется полнота репликации ДНК, и клетки, в которых ДНК недореплицирована, не входят в митоз. В контрольной точке сборки веретена деления проверяется, все ли кинетохоры прикреплены к микротрубочкам.

Нарушения клеточного цикла и образование опухолей

Увеличение синтеза белка p53 ведет к индукции синтеза белка p21 - ингибитора клеточного цикла

Нарушение нормальной регуляции клеточного цикла является причиной появления большинства твердых опухолей. В клеточном цикле, как уже говорилось, прохождение контрольных пунктов его возможно только в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия поломок. Для опухолевых клеток характерны изменения компонентов сверочных точек клеточного цикла. При инактивации сверочных точек клеточного цикла наблюдается дисфункция некоторых опухолевых супрессоров и протоонкогенов, в частности p53 , pRb , Myc иRas . Белок p53 является одним из факторов транскрипции, который инициирует синтез белка p21 , являющегося ингибитором комплекса CDK-циклин, что приводит к остановке клеточного цикла в G1 и G2 периоде. Таким образом клетка, у которой повреждена ДНК, не вступает в S-фазу. При мутациях, приводящих к потере генов белка p53, или при их изменениях, блокады клеточного цикла не происходит, клетки вступают в митоз, что приводит к появлению мутантных клеток, большая часть из которых нежизнеспособна, другая - дает начало злокачественным клеткам.

Деление клеток

Все клетки появляются путём деления родительских клеток. Большинству клеток свойственен клеточный цикл, состоящий из двух основных стадий: интерфазы и митоза.

Интерфаза состоит из трех этапов. В течение 4–8 часов после рождения клетка увеличивает свою массу. Некоторые клетки (например, нервные клетки мозга) навсегда остаются в этой стадии, у других же в течение 6–9 часов удваивается хромосомная ДНК. Когда масса клетки увеличивается в два раза, начинается митоз .

В стадии анафазы хромосомы перемещаются к полюсам клетки. Когда хромосомы достигают полюсов, начинается телофаза . Клетка делится надвое в экваториальной плоскости, нити веретена разрушаются, вокруг хромосом формируются ядерные мембраны. Каждая дочерняя клетка получает собственный набор хромосом и возвращается в стадию интерфазы. Весь процесс занимает около часа.

Процесс митоза может варьировать в зависимости от типа клетки. В растительной клетке отсутствуют центриоли, хотя веретено деления образуется. В грибных клетках митоз происходит внутри ядра, ядерная мембрана не распадается.

Наличие хромосом не является необходимым условием деления клетки. С другой стороны, один или несколько митозов могут останавливаться на стадии телофазы, в результате чего возникают многоядерные клетки (например, у некоторых водорослей).

Размножение при помощи митоза называют бесполым или вегетативным, а также клонированием . При митозе генетический материал родительских и дочерних клеток идентичен.

Мейоз , в отличие от митоза, является важным элементом полового размножения . При мейозе образуются клетки, содержащие лишь один набор хромосом, что делает возможным последующее слияние половых клеток (гамет) двух родителей. По сути, мейоз является разновидностью митоза. Он включает два последовательных деления клетки, однако хромосомы удваиваются только в первом из этих делений. Биологическая сущность мейоза заключается в уменьшении числа хромосом в два раза и образовании гаплоидных гамет (то есть гамет, имеющих по одному набору хромосом).

В результате мейотического деления у животных образуются четыре гаметы . Если мужские половые клетки имеют примерно одинаковые размеры, то при образовании яйцеклеток распределение цитоплазмы происходит очень неравномерно: одна клетка остаётся крупной, а три остальных настолько малы, что их почти целиком занимает ядро. Эти мелкие клетки служат лишь для размещения избыточного генетического материала.

Мужские и женские гаметы сливаются, образуя зиготу . Хромосомные наборы при этом объединяются (этот процесс называется сингамией ), в результате чего в зиготе восстанавливается удвоенный набор хромосом – по одному от каждого из родителей. Случайное расхождение хромосом и обмен генетическим материалом между гомологичными хромосомами приводят к возникновению новых комбинаций генов, повышая генетическое разнообразие. Образовавшаяся зигота развивается в самостоятельный организм.

В последнее время проводились эксперименты по искусственному слиянию клеток одного или разных видов. Наружные поверхности клеток склеивались вместе, а мембрана между ними разрушалась. Таким образом удалось получить гибридные клетки мыши и цыплёнка, человека и мыши. Однако при последующих делениях клетки теряли большинство хромосом одного из видов.

В других экспериментах клетка разделялась на компоненты, например, ядро, цитоплазму и мембрану. После этого компоненты различных клеток снова соединяли вместе, и в результате получалась живая клетка, состоящая из компонентов клеток разных видов. В принципе, опыты по сборке искусственных клеток могут оказаться первым шагом на пути к созданию новых форм жизни.

Мейоз – осуществляется в клетках организмов, размножающихся половым путем.

Биологический смысл явления определяется новым набором признаков у потомков.

В данной работе рассмотрим сущность этого процесса и для наглядности представим его на рисунке, посмотрим последовательность и продолжительность деления половых клеток, а так же узнаем, в чем сходство и отличие митоза и мейоза.

Что такое мейоз

Процесс, сопровождающийся образованием четырех клеток с одинарным хромосомным набором из одной исходной.

Генетическая информация каждой новообразованной соответствует половине набора соматической клетки.

Фазы мейоза

Мейотичекое деление включает два этапа, состоящие из четырех фаз каждое.

Первое деление

Включает профазу I, метафазу I, анафазу I и телофазу I.

Профаза I

На данном этапе образуются две клетки с половинным набором генетической информации. Профаза первого деления включает несколько стадий. Ей предшествует предмейотическая интерфаза, во время которой идет репликация ДНК.

Затем происходит конденсация, образование длинных тонких нитей с протеиновой осью во время лептотены. Данная нить прикрепляется к мембране ядра с помощью концевых расширений – прикрепительных дисков. Половинки удвоенных хромосом (хроматиды) еще не различимы. При исследовании имеют вид монолитных структур.

Далее наступает стадия зиготены. Гомологи сливаются с образованием бивалентов, число которых соответствует одинарному числу хромосом. Процесс конъюгации (соединения) осуществляется между парными, сходными в генетическом и морфологическом аспекте. Причем взаимодействие начинается с концов, распространяясь вдоль тел хромосом. Комплекс из гомологов, связанных белковым компонентом – бивалент или тетрада.

Спирализация происходит во время стадии толстых нитей – пахитены. Здесь уже удвоение ДНК выполнено полностью, начинается кроссинговер. Это обмен участками гомологов. В результате формируются сцепленные гены с новой генетической информацией. Параллельно протекает транскрипция. Плотные участки ДНК – хромомеры — активируются, что приводит к изменению структуры хромосом по типу «ламповых щеток».

Гомологичные хромосомы конденсируются, укорачиваются, расходятся (исключая точки соединения — хиазмы). Это стадия в биологии диплотена или диктиотена. Хромосомы на данном этапе богаты РНК, которая синтезируется на этих же участках. По свойствам последняя близка к информационной.

Наконец, биваленты расходятся к периферии ядра. Последние укорачиваются, теряют ядрышки, становятся компактными, не связанными с ядерной оболочкой. Это процесс носит название диакинеза (перехода к делению клетки).

Метафаза I

Далее биваленты перемещаются к центральной оси клетки. От каждой центромеры отходят веретена деления, каждая центромера равноудалена от обоих полюсов. Небольшие по амплитуде движения нитей удерживают их в данном положении.

Анафаза I

Хромосомы, построенные из двух хроматид, расходятся. Происходит перекомбинация с уменьшением генетического разнообразия (в связи с отсутствием в наборе генов, расположенных в локусах (участках) гомологов).

Телофаза I

Суть фазы состоит в расхождении хроматид с их центромерами к противоположным участкам клетки. В животной клетке происходит цитоплазматическое деление, в растительной – образование клеточной стенки.

Второе деление

После интерфазы первого деления клетка готова ко второму этапу.

Профаза II

Чем длиннее телофаза, тем короче длительность профазы. Хроматиды выстраиваются вдоль клетки, образуя своими осями прямой угол относительно нитей первого мейотического деления. В эту стадию они укорачиваются и утолщаются, ядрышки подвергаются распаду.

Метафаза II

Центромеры вновь расположены в экваториальной плоскости.

Анафаза II

Хроматиды отделяются друг от друга, перемещаясь к полюсам. Теперь они носят название хромосом.

Телофаза II

Деспирализация, растяжение образованных хромосом, исчезновение веретена деления, удвоение центриолей. Гаплоидное ядро окружается ядерной мембраной. Формируются четыре новые клетки.

Таблица сравнения митоза и мейоза

Кратко и понятно особенности и отличия представлены в таблице.

Характеристики	Мейотическое деление	Митотическое деление
Число делений	осуществляется в два этапа	осуществляется в один этап
Метафаза	после удвоения хромосомы расположены по центральной оси клетки парами	после удвоения хромосомы расположены по центральной оси клетки одиночно
Слияние	есть	нет
Кроссинговер	есть	нет
Интерфаза	нет удвоения ДНК в интерфазу II	перед делением характерно удвоение ДНК
Итог деления	гаметы	соматические
Локализация	в зреющих гаметах	в соматических клетках
Путь воспроизведения	половой	бесполый

Представленные данные – схема отличий, а сходства сводятся к одинаковым фазам, редупликации ДНК и спирализации перед началом клеточного цикла.

Биологическое значение мейоза

Какова же роль мейоза:

1. Дает новые сочетания генов вследствие кроссинговера.
2. Поддерживает комбинативную изменчивость. Мейоз – источник новых признаков в популяции.
3. Удерживает постоянное количество хромосом.

Заключение

Мейоз — сложный биологический процесс, в ходе которого образуются четыре клетки, с новыми признаками, полученными в результате кроссинговера.

Все клеточные структуры живых организмов в норме проходят несколько основных этапов развития. В ходе своего существовании каждая клетка в норме проходит этап размножения или деления. Оно может быть прямым, непрямым или редукционным. Деление – это нормальный этап жизнедеятельности структурных единиц различных организмов, который обеспечивает нормальное существование, рост и размножение всех живых существ на планете. Именно благодаря клеточному размножению в теле человека возможно обновление тканей, восстановление целостности поврежденного эпителия или дермы, наследование генетических данных, зачатие, эмбриогенез и множество других важнейших процессов.

Существует две основные разновидности размножения структурных единиц в организме многоклеточных существ: митоз и мейоз. Каждый из этих способов размножения имеет характерные особенности.

Внимание! Выделяют также деление клеток простым разделением надвое – амитоз. В организме человека этот процесс встречается в аномально измененных структурах, например, опухолях.

Митоз – вегетативное деление имеющих ядро клеток, наиболее часто встречающийся процесс воспроизведения. Этот способ также называют непрямым размножением или клонированием, так как сформированная в ходе него пара дочерних структур оказывается полностью идентичной материнской. С помощью клонирования размножаются соматические структурные единицы человеческого организма.

Внимание! Вегетативное деление направлено на формирование абсолютно одинаковых клеток из поколения в поколение. Подобным образом размножаются все клетки человеческого организма, кроме репродуктивных.

Клонирование составляет базу онтогенеза, то есть развития организма от зачатия до момента гибели. Митотическое деление необходимо для нормального функционирования различных органов и систем и формирование и сохранение определенных характеристик человека от рождения до смерти на морфологическом и биохимическом уровне. Продолжительность данного способа клеточного размножения составляет в среднем около 1-2 часов.

Течение митоза делится на четыре основные фазы:

В результате клонирования из материнской клетки формируются две дочерние, имеющие абсолютно аналогичный набор хромосом и сохраняющие все качественные и количественные характеристики исходной клетки. В организме человека за счет митоза происходит постоянное обновление тканей.

Внимание! Нормально течение митотических процессов обеспечивает нейрогуморальная регуляция, то есть совместное действие нервной и эндокринной систем.

Особенности течения редукционного деления

Мейотическое деление - процесс, итогом которого становится образование репродуктивных структурных единиц — гамет. При данном способе размножения образуется четыре дочерние клетки, причем каждая из них имеет 23 хромосомы. Так как образованные в результате этого способа гаметы обладают неполным хромосомным набором, он называется редукционным. У человека при гаметогенезе возможно образование двух типов структурных единиц:

• сперматозоидов из сперматогониев;
• яйцеклеток в фолликулах.

Характерные особенности

Так как каждая полученная гамета имеет одинарный набор хромосом, то при слиянии с другой репродуктивной клеткой происходит обмен генетическим материалом и формирование зародыша, который получает полный хромосомный набор. Именно за счет мейоза обеспечивается комбинаторная изменчивость – это процесс, в результате которого образуется огромный перечень различных генотипов, а плод унаследует различные черты матери и отца.

В процессе образования гаплоидных структур также следует выделять четыре вышеперечисленные фазы, свойственные митозу. Основное отличие редукционного деления заключается в том, что эти этапы повторяются дважды.

Внимание! Первая телофаза заканчивается формирование двух клеток, обладающих полным генетическим набором из 46 хромосом. Затем начинается второе деление, благодаря которому формируются четыре репродуктивные клетки, каждая из которых обладает 23 хромосомами.

При мейотическом делении первый этап занимает большее количество времени. Во время той стадии происходит слияние хромосом и процесс обмена генетическими данными. Метафаза протекает так же, как и при митозе, но при одинарном наборе наследственных данных. При анафазе не происходит деление центромер, а к полюсам расходятся гаплоидные хромосомы.

Период между двумя делениями, то есть интерфаза, очень короткий, дезоксирибонуклеиновая кислота в это время не продуцируется. Поэтому получившиеся после второй телофазы клетки содержат гаплоидный, то есть одинарный, комплект хромосом. Диплоидный набор восстанавливается при слиянии двух репродуктивных клеток в ходе сингамии. Это процесс соединения мужской и женской гаметы, образованных в результате мейоза. По итогам редукционного деления образуется зигота, обладающая 46 хромосомами и полным набором наследственной информации, полученной от обоих родителей.

В ходе слияния гамет возможно формирование различных вариантов каких-либо признаков. Именно за счет мейоза дети унаследуют, например, цвет глаз одного из родителей. За счет рецессивного носительства каких-либо генов возможна передача признаков через одно или несколько поколений.

Внимание! Доминантные признаки – преобладающие, проявляющиеся обычно у первого поколения потомков. Рецессивные – скрытые или постепенно пропадающие у особей последующих поколений.

Роль митотического деления:

1. Поддержание постоянства количества хромосом. Если бы полученные клетки имели полный набор хромосом, то у плода после зачатия их количество увеличивалось бы в два раза.
2. Благодаря мейотическому делению формируются репродуктивные клетки с различными наборами наследственной информации.
3. Рекомбинация наследственной информации.
4. Обеспечение изменчивости организмов.

Сравнительная характеристика

Способ размножения	Клонирование	Гаметогенез
Виды клеток	Соматические	Репродуктивные
Количество делений	Одно	Два
Сколько дочерних структурных единиц формируется в итоге	2	4
Содержание наследственной информации в дочерних клетках	Не изменяется	Изменяется
Конъюгация	Не свойственно
	Не свойственно	Отмечается во время первого деления

Отличия клонирования и редукционного деления

Клонирование и редукционное размножение клеток – достаточно сходные процессы. Мейотическое деление включает те же этапы, что и митотическое, однако их продолжительность и протекающие на различных его этапах процессы имеют значительные отличия.

Видео — Митоз и мейоз

Различия в течении полового и бесполого деления

Клетки, получающиеся в результате митотического деления и гаметогенеза, несут различную функциональную нагрузку. Именно поэтому в ходе мейоза отмечаются некоторые особенности течения:

1. На первом этапе редукционного деления отмечается конъюгация и кроссинговер. Эти процессы необходимы для взаимного обмена генетической информацией.
2. Во время анафазы отмечается сегрегация сходных хромосом.
3. В периоде между двумя циклами делениями не происходит редупликации молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Внимание! Конъюгация – состояние постепенного схождения друг с другом гомологичных, то есть сходных, хромосом и следующее за этим формирование пар. Кроссинговер – переход определенных участков от одной хромосомы к другой.

Второй этап гаметогенеза протекает абсолютно так же, как и митоз.

Характерные отличия по результатам процесса деления:

1. Результатом клонирования становится образование двух структурных единиц, а итогом редукционного деления – четыре.
2. С помощью клонирования делятся соматические структурные единицы, входящие в состав различных тканей организма. В результате мейоза образуются только репродуктивные клетки: яйцеклетки и сперматозоиды.
3. Клонирование приводит к образованию абсолютно одинаковых структурных единиц, а при мейотическом делении происходит перераспределение генетических данных.
4. В результате редукционного деления количество наследственной информации в репродуктивных клетках сокращается на 50%. Это обеспечивает возможность последующего слияния генетических данных клеток матери и отца при оплодотворении.

Клонирование и редукционное деление – важнейшие процессы, обеспечивающие нормальное функционирование организма. Сформировавшиеся в результате клонирования дочерние клетки оказываются во всем, в том числе на уровне дезоксирибонуклеиновой кислоты, идентичны исходной. Это позволяет передавать хромосомный набор в неизменном виде из одного поколения клеток в другое. Митоз лежит в основе нормального роста тканей. Биологическое значение редукционного деления заключается в сохранении определенного количества хромосом у организмов, размножение которых происходит половым путем. При этом мейотическое деление позволяет проявляться важнейшему качеству различных многоклеточных организмов – комбинативной изменчивости. Благодаря ей возможна передача потомству различных признаков как отца, так и матери.