Интерфаза — это период клеточного цикла. Определение и характеристика, стадии интерфазы. Интерфаза. Постмитотический период Какую биологическую роль играет митоз

Все новые клетки возникают в результате деления уже существующих клеток. Если путем деления клетки пополам размножается одноклеточный организм, то в конечном итоге из одного старого организма образуется два новых. Многоклеточные организмы начинают свое развитие тоже с одной клетки; все их многочисленные клетки образуются затем путем многократ­ных клеточных делений. Эти деления продолжаются в течение всей жизни многоклеточных организмов, по мере их развития и роста. Они связаны с процессами регенерации или замещения отслуживших клеток новыми. Так, клетки верхнего слоя кожи отмирают и слущиваются, а на смену им приходят другие, новые клетки, которые образовались путем деления клеток, лежащих в более глубоких слоях эпителия кожи. Вновь образовавшиеся клетки (если они не отмирают в конце своего существования) обычно ста­новятся способными к делению лишь после периода их роста и развития. Активное функционирование клетки между двумя ее делениями называет­сяинтерфазой. Продолжительность интерфазы клеток у разных организ­мов бывает различной. В клетках растений и животных, например, она в среднем продолжается 10-20 часов, затем наступает вновь процесс деле­ния клеток. Таким образом,жизненный цикл клетки состоит из ее деле­ния и интерфазы.

Винтерфазе клетка как бы готовится к очередному своему делению. Во-первых, в клетке увеличивается число ее органелл; в противном случае в дочерние клетки попадало бы все меньшее и меньшее их количество. Некоторые органеллы, например, хлоропласты и митохондрии сами воспро­изводятся путем деления. Клетке достаточно иметь хотя бы одну такую органеллу, чтобы затем образовать их столько, сколько ей требуется. Каж­дой клетке необходимо также иметь вначале какое-то количество рибосом, чтобы использовать их для синтеза белков, из которых затем можно пост­роить новые рибосомы, эндоплазматический ретикулум и многие другие органеллы. В период интерфазы клетка интенсивно накапливает энергию, созидая молекулы АТФ. Перед началом деления клетка удваивает число своих хромосом с тем, чтобы после деления дочерние клетки получили наследственную информацию, идентичную той, которой обладала материн­ская клетка. В противном случае, дочерние клетки оказались бы не в состо­янии синтезировать все те белки, которые им необходимы для сохранения своей видовой принадлежности. В животных клетках в период интерфазы происходит еще и удвоение центриоли клеточного центра, который за счет этого восстанавливает свое строение, для того чтобы быть готовым к уча­стию в очередном делении клетки.

Итак, в интерфазе клетка растет и развивается, при этом в ней происхо­дят следующие процессы:

Репликация ДНК;

Активный синтез белков;

Увеличение количества некоторых органелл;

Накопление энергии в виде АТФ;

Удвоение клеточного центра (в животных клетках).

После интерфазы наступает второй этап жизненного цикла клетки, кото­рый называется делением. Сигналом к началу деления для клетки являет­ся нарушение в процессе ее роста ядерно-плазматического соотношения, когда объем цитоплазмы увеличивается, а объем ядра остается прежним.

Процесс деления соматических клеток, в результате которого до­черние клетки полностью сохраняют наследственную информацию материнских клеток, называетсямитозом . Таин­ственный танец, исполняемый хромосомами при их разделении во время митоза на два идентичных набора, впервые наблюдался исследователями более ста лет назад, однако и до сих пор многое в этой фантастически точ­ной хореографии хромосомных движений еще остается неясным. Митоз представляет собой непрерывную цепь событий, но для того чтобы удоб­нее было в них разобраться, биологи условно разделили этот процесс на четыре стадии в зависимости от того, как выглядят в это время хромосо­мы в световом микроскопе. Первая фаза митоза -профаза. Это самая продолжительная стадия митоза. Она характеризуется тем, что в ней:

Происходит суперспирализация ДНК, вследствие чего хроматиды укорачиваются и утолщаются, хромосомы становятся видимыми под мик­роскопом;

Ядрышки исчезают, так как прекращается синтез р-РНК;

Ядерная оболочка распадается на фрагменты, и хромосомы оказы­ваются в цитоплазме;

Начинает формироваться веретено деления: в животных клетках центриоли, которые были расположены в области клеточного центра, направля­ются к противоположным полюсам клетки, между ними начинают появляться нити веретена деления. В клетках высших растений веретено деления форми­руется без участия центриолей. Нити веретена присоединяются к центроме­рам хромосом, которые начинают двигаться к центральной части клетки.

Следующая фаза митоза -метафаза. В ней:

Заканчивает формироваться веретено деления (совокупность микро­трубочек, состоящих из белка турбулина);

Хромосомы выстраиваются в центральной части клетки в одной плос­кости таким образом, что их центромеры располагаются на равных рассто­яниях от полюсов клетки;

В конце метафазы хроматиды отделяются одна от другой.

Анафаза - самая короткая фаза митоза. Она характеризуется тем, что:

Нити веретена деления укорачиваются и растягивают отделившиеся друг от друга в конце метафазы хроматиды к противоположным полюсам клетки, в силу чего они становятся хромосомами;

К концу анафазы у каждого полюса клетки оказывается диплоидный набор хромосом.

Телофаза - последняя фаза митоза. В ней происходят следующие процессы:

Деспирализация молекул ДНК, вследствие чего хромосомы превра­щаются в хроматин;

Вокруг скоплений хроматина, образовавшихся у противоположных полюсов клетки, образуются ядерные оболочки;

В образовавшихся таким образом дочерних ядрах формируются ядрышки;

На протяжении телофазы, начиная от полюсов клетки и до ее экватора, постепенно разрушается веретено деления;

В конце телофазы делится цитоплазма материнской клетки, что приводит к образованию двух дочерних клеток.

Биологическое значение митоза заключается в точной передачи наследственной информации от материнской клетки дочерним.

Лабораторная работа № 6

Длится 1-2 часа. Большая часть компонентов клетки синтезируется на протяжении всей интерфазы, это затрудняет выделение в ней отдельных стадий (Pardee, 1978 ; Yanishevsky, 1981). Однако в интерфазе выделяют фазу G{ l1}l , фазу S и фазу G{ l2}l . Период интерфазы, когда происходит репликация ДНК клеточного ядра, был назван "фаза S " (от слова synthesis).

Период между фазой М и началом фазы S обозначен как фаза G{l1}l (от слова gap - промежуток), а период между концом фазы S и последующей фазой М - как фаза G{ l2}l. Во время G{l1}l-фазы возобновляются интенсивные биосинтетические процессы, резко замедленные во время клеточного деления.

Фаза G{ l2}l нужна для подготовки клеток к митозу (Johnson, 1970; ; Bradbury, 1974 ; Isenberg, 1979) . См. далее Клетка: фаза G{l2}l

Длительность митотического цикла варьирует у разных организмов в широких пределах. Самые короткие клеточные циклы обнаружены у дробящихся яиц некоторых животных. Например, у золотой рыбки первые деления дробления совершаются через 20 мин (подробнее об этом в разделе индивидуальное развитие). Довольно распространены митотические циклы длительностью 18-20 ч. Встречаются циклы, которые продолжаются несколько суток. Время от деления до деления клеток может значительно отличаться в пределах одного и того же организма. Так, при изучении длительности клеточных циклов эпителиальных клеток мыши выяснилось, что в двенадцатиперстной кишке эпителиальные клетки делятся каждые 11 ч, в тощей кишке - примерно через 19 ч, в роговице глаза - через 3 суток, а в кожном эпителии от деления до деления проходит больше 24 суток. Время, которое клетка тратит непосредственно на деление, составляет обычно 1-3 ч (эмбриональные митозы много короче). Таким образом, основную часть жизни клетки находятся в интерфазе. Название этой стадии возникло еще в прошлом веке, когда о деятельности клеток могли судить только по изменениям их морфологии, так как единственным инструментом исследования был световой микроскоп. Поскольку заметные морфологические изменения клеток происходили во время деления, то к ним и было приковано внимание биологов, а период между делениями получил название промежуточного (лат. inter - между) или фазы покоя. Благодаря появлению современных методов изучения клетки - электронной микроскопии , авторадиографии , возможности измерять содержание различных внутриклеточных веществ - удалось установить, что в интерфазе происходят важнейшие события клеточной жизни, в частности удвоение хромосом.

Обычно интерфазу подразделяют на три периода: пресинтетический, синтетический и постсинтетический. Пресинтетический (Gi) период (англ. gap - интервал) следует непосредственно за делением. Как правило, это самый длительный период интерфазы ( рис. 61). В клетках эукариот он продолжается от 10 ч до нескольких суток. Во время него происходит подготовка клетки к удвоению хромосом: синтезируется РНК, образуются различные белки, в частности необходимые для образования предшественников ДНК. При этом увеличивается количество рибосом и поверхность шероховатой эндоплазматической сети, растет число митохондрий. Все это приводит к тому, что клетка интенсивно растет. В синтетическом (S) периоде продолжается синтез РНК и белков и одновременно происходит удвоение хромосом, в основе которого лежит процесс репликации ДНК .

Вновь синтезированная ДНК сразу же соединяется с хромосомными белками . Синтез ДНК продолжается несколько часов, обычно 6-10. По его окончании каждая хромосома оказывается удвоенной - состоящей из двух сестринских хроматид. В генетическом отношении хроматиды полностью идентичны друг другу, так как их ДНК состоит из одной материнской и второй вновь синтезированной цепи. Сестринские хроматиды тесно сближены и соединены в том районе хромосомы, который обеспечивает ее движение при делении клетки. Он называется центромерным районом хромосомы ( рис. 62 , рис. 63).

После полного удвоения хромосом наступает постсинтетический период (G2) . В это время клетка готовится к делению: синтезируются белки микротрубочек , которые во время митоза будут формировать веретено деления, запасается энергия. Продолжительность G2-периода меньше, чем у S- и Gi-периодов, и обычно составляет 3-6 ч.

Промежуток времени между клеточными делениями называется интерфазой .

Некоторые цитологи выделяют два вида интерфаз: гетеросинтетическую и аутосинтетическую.

В период гетеросинтетеической интерфазы клетки работают на организм, выполняя свои функции составного компонента того или иного органа или такни. В период аутосинтетической интерфазы клетки готовятся к митозу или мейозу. В этой интерфазе выделяют три периода: пресинтетический – G 1 , синтетический – S, и постсинтетический – G 2 .

В S-периоде продолжается синтез белка и происходит репликация ДНК. В большинстве клеток этот период длится 8-12 часов.

В G 2 – периоде продолжается синтез РНК и белка (например, тубулина для построения микротрубочек веретена деления). Происходит накопление АТФ для энергетического обеспечения последующего митоза. Эта фаза длится 2-4- часа.

Кроме интерфазы, для характеристики временной организации клеток выделяют такие понятия, как жизненный цикл клеток, клеточный цикл и митотический цикл. Под жизненным циклом клетки понимают время жизни клетки с момента ее возникновения после деления материнской клетки и до конца ее собственного деления или же до гибели.

Клеточный цикл – это совокупность процессов, протекающих в аутосинтетическую интерфазу, и собственно митоз.

11. Митоз. Его сущность, фазы, биологическое значение. Амитоз.

МИТОЗ

Митоз (от греч. митос – нить), или кариокинез (греч. карион – ядро, кинезис – движение), или непрямое деление. Это процесс, в ходе которого происходит конденсация хромосом и равномерное распределение дочерних хромосом между дочерними клетками. Митоз включает в себя пять фаз: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза. В профазе хромосомы конденсируются (скручиваются), становятся заметными и располагаются в виде клубка. Центриоли делятся на две и начинают двигаться к клеточным полюсам. Между центриолями появляются нити, состоящие из белка тубулина. Происходит образование митотического веретена. В прометафазе ядерная оболочка распадается на мелкие фрагменты, а погруженные в цитоплазму хромосомы начинают двигаться к экватору клетки. В метафазе хромосомы устанавливаются на экваторе веретена и становятся максимально компактизированными. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, связанных друг с другом центромерами, а концы хроматид расходятся, и хромосомы принимают Х-образную форму. В анафазе дочерние хромосомы (бывшие сестринские хроматиды) расходятся к противоположным полюсам. Предположение о том, что это обеспечивается сокращением нитей веретена, не подтвердилось.

Рис.28 . Характеристика митоза и мейоза.

Многие исследователи поддерживают гипотезу скользящих нитей, согласно которой соседние микротрубочки веретена деления, взаимодействуя друг с другом и сократительными белками, тянут хромосомы к полюсам. В телофазе дочерние хромосомы достигают полюсов, деспирализуются, образуется ядерная оболочка, восстанавливается интерфазная структура ядер. Затем наступает разделение цитоплазмы – цитокинез. В животных клетках этот процесс проявляется в перетяжке цитоплазмы за счет втягивания плазмолеммы между двумя дочерними ядрами, а в растительных клетках мелкие пузырьки ЭПС, сливаясь, образуют изнутри цитоплазмы клеточную мембрану. Целлюлозная клеточная стенка образуется за счет секрета, накапливающегося в диктиосомах.

Продолжительность каждой из фаз митоза различна – от нескольких минут до сотен часов, что зависит как от внешних, так и внутренних факторов и типа тканей.

Нарушение цитотомии приводит к образованию многоядерных клеток. При нарушении репродукции центриолей могут возникнуть многополюсные митозы.

АМИТОЗ

Это прямое деление ядра клетки, сохраняющего интерфазную структуру. При этом хромосомы не выявляются, не происходит образования веретена деления и их равномерного распределения. Ядро делится путем перетяжки на относительно равные части. Цитоплазма может делиться перетяжкой, и тогда образуются две дочерние клетки, но может и не делиться, и тогда образуются двуядерные или многоядерные клетки.

Рис.29. Амитоз.

Амитоз как способ деления клеток может встречаться в дифференцированных тканях, например, скелетных мышцах, клетках кожи, а также в патологических изменениях тканях. Однако он никогда не встречается в клетках, нуждающихся в сохранении полноценной генетической информации.

12. Мейоз. Стадии, биологическое значение.

МЕЙОЗ

Мейоз (греч. мейозис – уменьшение) имеет место на стадии созревания гамет. Благодаря мейозу из диплоидных незрелых половых клеток образуются гаплоидные гаметы: яйцеклетки и сперматозоиды. Мейоз включает в себя два деления: редукционное (уменьшительное) и эквационное (уравнительное), каждое из которых имеет те же фазы, что и митоз. Однако, несмотря на то, что клетки делятся два раза, удвоение наследственного материала происходит только один раз – перед редукционным делением - и отсутствует перед эквационным.

Цитогенетический результат мейоза (образование гаплоидных клеток и перекомбинация наследственного материала) происходит во время первого (редукционного) деления. Оно включает 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Профаза I подразделяется на 5 стадий:
лептонемы, (стадия тонких нитей)
зигонемы
стадия пахинемы (толстых нитей)
стадии диплонемы
стадия диакинеза.

Рис.31. Мейоз. Процессы, происходящие при редукционном делении.

В стадии лептонемы происходит спирализация хромосом и их выявление в виде тонких нитей с утолщениями по длине. В стадии зигонемы продолжается компактизация хромосом, а гомологичные хромосомы сближаются попарно и конъюгируют: каждая точка одной хромосомы совмещается с соответствующей точкой гомологичной хромосомы (синапсис). Две рядом лежащие хромосомы образуют биваленты.

В пахинеме между хромосомами, составляющими бивалент, может происходить обмен гомологичными участками (кроссинговер). На этой стадии видно, что каждая конъюгирующая хромосома состоит из двух хроматид, а каждый бивалент – из четырех хроматид (тетрад).

Диплонема характеризуется, появлением сил отталкивания конъюгатов начиная от центромер, а затем и в других участках. Хромосомы остаются связанными между собой только в местах кроссинговера.

В стадии диакинеза (расхождение двойных нитей) парные хромосомы частично расходятся. Начинается формирование веретена деления.

В метафазе I пары хромосом (биваленты) выстраиваются по экватору веретена деления, образуя метафазную пластинку.

В анафазе I к полюсам расходятся двухроматидные гомологичные хромосомы, и на клеточных полюсах скапливается их гаплоидный набор. В телофазе 1 происходят цитотомия и восстановление структуры интерфазных ядер, каждое из которых содержит гаплоидное число хромосом, но диплоидное количество ДНК (1n2c). После редукционного деления клетки переходят в короткую интерфазу, во время которой не наступает период S, и начинается эквационное (2-е) деление. Оно протекает, как обычный митоз, в результате чего образуются половые клетки, содержащие гаплоидный набор однохроматидных хромосом (1n1c)

Рис.32 . Мейоз. Эквационное деление.

Таким образом, во время второго мейотического деления количество ДНК приводится в соответствие с количеством хромосом.

12. Гаметогенез: ово - и сперматогенез.
Размножение, или самовоспроизведение, является одной из важнейших характеристик природы и присуще живым организмам. Передача генетического материала от родителей к следующему поколению в процессе размножения обеспечивает непрерывность существования рода. Процесс размножения у человека начинается с момента проникновения мужской половой клетки в женскую половую клетку.

Гаметогенез – это последовательный процесс, который обеспечивает размножение, рост и созревание половых клеток в мужском организме (сперматогенез) и женском (овогенез).

Гаметогенез протекает в половых железах - сперматогенез в семенниках у мужчин, а овогенез в яичниках у женщин. В результате гаметогенеза в организме женщины образуются женские половые клетки - яйцеклетки, а у мужчин - мужские половые клетки сперматозоиды.
Именно процесс гаметогенез (сперматогенез, овогенез) дает возможность мужчине и женщине возможность воспроизведения потомства.

Среди всех интересных и достаточно сложных тем в биологии стоит выделить два процесса деления клеток в организме – мейоз и митоз . Сначала может показаться, что эти процессы одинаковые, поскольку в обоих случаях происходит деление клеток, но на самом деле между ними существует большая разница. В первую очередь, нужно разобраться с митозом. Что этот процесс из себя представляет, что такое интерфаза митоза и какую роль они играют в человеческом организме? Подробнее об этом и пойдет речь в данной статье.

Сложный биологический процесс, который сопровождается делением клеток и распределением хромосом между этими клетками – все это можно сказать о митозе. Благодаря ему, между дочерними клетками организма равномерно распределяются хромосомы, в которых содержится ДНК.

Существует 4 основные фазы процесса митоза. Все они связаны между собой, поскольку фазы плавно переходят из одной на другую. Распространенность митоза в природе обусловлена тем, что именно он участвует в процессе деления всех клеток, среди которых мышечные, нервные и так далее.

Коротко об интерфазе

Перед попаданием в состояние митоза клетка, которая разделяется, переходит в период интерфазы, то есть растет. Длительность интерфазы может занимать более 90% всего времени активности клетки в обычном режиме .

Интерфаза делится на 3 основных периода:

• фаза G1;
• S-фаза;
• фаза G2.

Все они проходят в определенной последовательности. Рассмотрим каждую из этих фаз отдельно.

Интерфаза — основные составляющие (формула)

Фаза G1

Этот период характеризуется подготовкой клетки к делению. Она увеличивается в объемах для дальнейшей фазы синтеза ДНК.

S-фаза

Это следующий этап в процессе интерфазы, при котором происходит деление клеток организма. Как правило, синтез большей части клеток происходит на небольшой промежуток времени. После деления клетки не увеличиваются в размерах, а начинается последняя фаза.

Фаза G2

Финальный этап интерфазы, на протяжении которого клетки продолжают синтезировать белки, увеличиваясь при этом в размерах. В этот период в клетке по-прежнему есть нуклеолы. Также в последней части интерфазы происходит дублирование хромосом, а поверхность ядра в это время покрывается специальной оболочкой, имеющей защитную функцию.

На заметку! По завершению третьей фазы наступает митоз. Он тоже включает в себя несколько стадий, после которых происходит деление клетки (этот процесс в медицине называется цитокинезом).

Стадии митоза

Как уже отмечалось ранее, митоз делится на 4 стадии, но иногда их может быть и больше. Ниже представлены основные из них.

Таблица. Описание основных фаз митоза.

Важно! Длительность полного процесса митоза, как правило, составляет не больше 1,5-2 часов. Продолжительность может меняться в зависимости от вида разделяемой клетки. Также на длительность процесса влияют и внешние факторы, такие как световой режим, температура и так далее.

Какую биологическую роль играет митоз?

Теперь попробуем разобраться с особенностями митоза и его важностью в биологическом цикле. В первую очередь, он обеспечивает многие процессы жизнедеятельности организма, среди которых – эмбриональное развитие .

Также митоз отвечает за восстановление тканей и внутренних органов организма после различных видов повреждения, в результате чего происходит регенерация. В процессе функционирования клетки постепенно отмирают, но с помощью митоза структурная целостность тканей постоянно поддерживается.

Митоз обеспечивает сохранение определенного количества хромосом (оно соответствует числу хромосом в материнской клетке).

Видео – Особенности и виды митоза

Клетки не возникают сами по себе, а образуются только при делении других.

Клеточный цикл представляет собой совокупность процессов, происходящих в клетке при подготовке ее к делению и во время собственно деления, в результате чего материнская клетка делится на две дочерние. В цикле выделяют две фазы: автосинтетическую, или интерфазу (подготовка клетки к делению), включающую пресинтетический (G:, англ. gap - промежуток), синтетический (S) и постсинтетический (G2) периоды, и деление клетки - митоз.

Интерфаза - последовательность событий, подготавливающих митоз . Весьма важным в интерфазе является матричный синтез ДНК и удвоение хромосом - S-фаза. Промежуток между делением и наступлением S-фазы называется фазой Gt (пост- митотическая, или пресинтетическая, фаза), а между S-фазой и митозом - фазой G2 (постсинтетическая, или премитотическая, фаза). В течение фазы G: клетка диплоидна, в течение фазы S плоидность возрастает до четырех, в фазе G2 клетка тетраплоидна. В интерфазе удваивается масса клетки и всех ее компонентов, а также происходит удвоение центриолей.

В течение пресинтетической фазы в клетке уже усилены биосинтетические процессы и происходит подготовка к удвоению ДНК. При этом развиваются преимущественно те органеллы, которые необходимы для синтеза ферментов, обеспечивающих, в свою очередь, предстоящее удвоение ДНК (прежде всего это рибосомы). На материнской центриоли клеточного центра увеличивается количество сателлитов. Фаза G: длится от нескольких часов до суток и более.

Репликация (лат. replicatio - повторение) - это процесс передачи генетической информации, хранящейся в родительской ДНК, путем точного ее воспроизведения в дочерней клетке. При этом каждая родительская цепь ДНК является матрицей для синтеза дочерней (матричный синтез ДНК).

Репликация основана на комплементарном спаривании оснований. Вначале в одной точке ДНК обе ее цепи расходятся, образуя асимметричную репликационную «вилку». Фермент ДНК- полимераза катализирует процесс полимеризации нуклеотидов только в направлении 5" ® 3". Напомним, что обе цепи ДНК антипараллельны, поэтому синтез одной из дочерних цепей происходит непрерывно (лидирующая цепь), другой (отстающей) - в виде отдельных фрагментов размерами 10 - 200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Впоследствии эти фрагменты соединяются под действием фермента ДНК-лигазы.

Репликация начинается от середины каждого плеча, от участка, называемого сайтом инициации репликации. Распространяясь к теломерам, репликация доходит до них и останавливается. Двигаясь к середине хромосомы, репликация доходит до центромеры и тоже останавливается, однако центромерная область не удваивается. В результате каждая хромосома имеет теперь две цепи ДНК. Каждая цепь с окружающими их белками образует сестринские хроматиды. S-фаза длится 8-12 часов.

В каждой хромосоме во время S-периода образуются группы репликационных «вилок» (20 - 80), которые возникают одновременно у всех хромосом. При этом «вилки» расположены парами, которые движутся в противоположных направлениях до тех пор, пока не встретят соседнюю «вилку», так что образуются две дочерние спирали. В результате репликации каждая из двух дочерних молекул ДНК состоит из одной старой и одной новой цепи.

В цитоплазме в течение S-фазы удваиваются не только цепи ДНК, но и каждая из центриолей клеточного центра.

В течение премитотической фазы G2 совершаются синтезы, необходимые для обеспечения непосредственно процесса деления. Количество ДНК и центриолей в клетке уже удвоено. Фаза G2 продолжается до 6 часов.