Стадії (фази) мітозу. Періоди інтерфази, їх тривалість, основні процеси Поняття «мітотичний цикл»

Клітинний цикл - Це період життя клітини від одного поділу до іншого. Складається з інтерфази та періодів поділу. Тривалість клітинного циклу у різних організмів різна (у бактерій – 20-30 хв, у клітин еукаріотів – 10-80 год).

Інтерфаза

Інтерфаза (Від лат. inter– між, phases- Поява) - це період між поділами клітини або від поділу до її загибелі. Період від поділу клітини до її загибелі характерний для клітин багатоклітинного організму, які після поділу втратили здатність до нього (еритроцити, нервові клітини тощо). Інтерфаза займає приблизно 90% часу клітинного циклу.

Інтерфаза включає:

1) пресинтетичний період (G 1) – починаються інтенсивні процеси біосинтезу, клітина зростає, збільшується у розмірах. Саме в цьому періоді до смерті залишаються клітини багатоклітинних організмів, які втратили здатність до поділу;

2) синтетичний (S) – відбувається подвоєння ДНК, хромосом (клітина стає тетраплоїдною), подвоюються центріолі, якщо вони є;

3) постсинтетичний (G 2) – переважно припиняються процеси синтезу у клітині, відбувається підготовка клітини до поділу.

Розподіл клітини буває прямим(амітоз) та непрямим(Мітоз, мейоз).

Амітоз

Амітоз - Прямий поділ клітин, при якому не утворюється апарат поділу. Ядро ділиться внаслідок кільцевої перетяжки. Не відбувається рівномірного розподілу генетичної інформації. У природі амітоз діляться макронуклеуси (великі ядра) інфузорій, клітини плаценти у ссавців. Амітоз можуть ділитися клітини ракових пухлин.

Непряме поділ пов'язані з утворенням апарату поділу. У апарат поділу входять компоненти, які забезпечують рівномірний розподіл хромосом між клітинами (веретено поділу, центроміри, якщо є центріолі). Поділ клітини умовно можна розділити на поділ ядра ( каріокінез) та розподіл цитоплазми ( цитокінез). Останній починається до кінця розподілу ядра. Найбільш поширені у природі мітоз і мейоз. Іноді зустрічається ендомітоз- Непрямий поділ, який відбувається в ядрі без руйнування його оболонки.

Мітоз

Мітоз – це непряме поділ клітини, у якому з материнської утворюються дві дочірні клітини з ідентичним набором генетичної інформації.

Фази мітозу:

1) профаза - відбувається ущільнення хроматину (конденсація), хроматиди спіралізуються і коротшають (стають помітними у світловий мікроскоп), зникають ядерця і ядерна оболонка, утворюється веретено поділу, його нитки прикріплюються до центромірів хромосом, центріолі діляться і розходяться до полюсів клітини;

2) метафаза – хромосоми максимально спіралізовані та розташовуються вздовж екватора (в екваторіальній платівці), гомологічні хромосоми лежать поруч;

3) анафаза - нитки веретена поділу скорочуються одночасно і розтягують хромосоми до полюсів (хромосоми стають однохроматидними), найкоротша фаза мітозу;

4) телофаза - Хромосоми деспіралізуються, утворюються ядерця, ядерна оболонка, починається поділ цитоплазми.

Мітоз характерний переважно для соматичних клітин. Завдяки мітозу зберігається сталість числа хромосом. Сприяє збільшенню числа клітин, тому спостерігається при зростанні, регенерації, вегетативному розмноженні.

Мейоз

Мейоз (Від грец. мейозис– зменшення) – це непрямий редукційний поділ клітини, при якому з материнської утворюються чотири дочірні, що мають неідентичну генетичну інформацію.

Розрізняють два поділи: мейоз I та мейоз II. Інтерфаза I подібна до інтерфази перед мітозом. У постсинтетичному періоді інтерфази процеси синтезу білка не припиняються і продовжуються у профазі першого поділу.

Мейоз I:

– профаза I – хромосоми спіралізуються, ядерце та ядерна оболонка зникають, утворюється веретено поділу, гомологічні хромосоми зближуються та злипаються вздовж сестринських хроматид (як блискавка у замку) – відбувається кон'югація, при цьому утворюються зошити, або біваленти, утворюється перехрест хромосом та обмін ділянками – кросинговер, потім гомологічні хромосоми відштовхуються одна від одної, але залишаються зчепленими в ділянках, де відбувся кросинговер; процеси синтезу завершуються;

– метафаза I - хромосоми розташовуються вздовж екватора, гомологічні -двохроматидні хромосоми розташовуються одна навпроти іншої по обидва боки екватора;

– анафаза I - нитки веретена поділу одночасно скорочуються, розтягують по одній гомологічній двороматидної хромосоми до полюсів;

– телофаза I (якщо є) – хромосоми деспіралізуються, утворюються ядерце та ядерна оболонка, відбувається розподіл цитоплазми (клітини, що утворилися, гаплоїдні).

Інтерфаза II(якщо є): не відбувається подвоєння ДНК.

Мейоз II:

– профаза II - Ущільнюються хромосоми, зникають ядерце і ядерна оболонка, утворюється веретено поділу;

– метафаза II - Хромосоми розташовуються вздовж екватора;

– анафаза II - хромосоми при одночасному скороченні ниток веретена поділу розходяться до полюсів;

– телофаза II – деспіралізуються хромосоми, утворюються ядерце та ядерна оболонка, ділиться цитоплазма.

Мейоз відбувається перед утворенням статевих клітин. Дозволяє при злитті статевих клітин зберігати сталість числа хромосом виду (каріотип). Забезпечує комбінативну мінливість.

Усі нові клітини виникають у результаті розподілу вже існуючих клітин. Якщо шляхом поділу клітини навпіл розмножується одноклітинний організм, то зрештою з одного старого організму утворюється два нових. Багатоклітинні організми починають свій розвиток теж із однієї клітини; всі їхні численні клітини утворюються потім шляхом багаторазових клітинних поділів. Ці розподіли тривають протягом усього життя багатоклітинних організмів, у міру їх розвитку та зростання. Вони пов'язані з процесами регенерації або заміщення клітин, що відслужили новими. Так, клітини верхнього шару шкіри відмирають і злущуються, а на зміну їм приходять інші нові клітини, які утворилися шляхом поділу клітин, що лежать у глибших шарах епітелію шкіри. Клітини, що знову утворилися (якщо вони не відмирають наприкінці свого існування) зазвичай стають здатними до поділу лише після періоду їх росту і розвитку. Активне функціонування клітин між двома її поділами називається інтерфазою.Тривалість інтерфази клітин у різних організмів буває різною. У клітинах рослин та тварин, наприклад, вона в середньому триває 10-20 годин, потім настає знову процес розподілу клітин. Таким чином, життєвий цикл клітинискладається з її поділу та інтерфази.

У інтерфазіклітка ніби готується до чергового свого поділу. По-перше, у клітині збільшується кількість її органел; в іншому випадку в дочірні клітини потрапляло б все менше і менше їх кількість. Деякі органели, наприклад, хлоропласти та мітохондрії самі відтворюються шляхом поділу. Клітці достатньо мати хоча б одну таку органеллу, щоб потім утворити їх стільки, скільки їй потрібно. Кожній клітині необхідно мати спочатку якусь кількість рибосом, щоб використовувати їх для синтезу білків, з яких потім можна побудувати нові рибосоми, ендоплазматичний ретикулум і багато інших органели. У період інтерфази клітина інтенсивно накопичує енергію, творячи молекули АТФ. Перед початком поділу клітина подвоює число своїх хромосом для того, щоб після поділу дочірні клітини отримали спадкову інформацію, ідентичну тій, яку мала материнська клітина. В іншому випадку, дочірні клітини виявилися б не в змозі синтезувати всі ті білки, які їм потрібні для збереження своєї видової приналежності. У тварин клітинах в період інтерфази відбувається ще й подвоєння центріолі клітинного центру, який за рахунок цього відновлює свою будову для того, щоб бути готовим до участі в черговому розподілі клітини.

Отже, в інтерфазі клітина зростає та розвивається, при цьому в ній відбуваються такі процеси:

Реплікація ДНК;

Активний синтез білків;

Збільшення кількості деяких органел;

Накопичення енергії у вигляді АТФ;

Подвоєння клітинного центру (У тваринних клітинах).

Після інтерфази настає другий етап життєвого циклу клітини, який називається поділом. Сигналом на початокподілу для клітини є порушенням у процесі її зростання ядерно-плазматичного співвідношення, коли обсяг цитоплазми збільшується, а обсяг ядра залишається тим самим.

Процес поділу соматичних клітин,внаслідок якого дочірні клітини повністю зберігають спадкову інформацію материнських клітин, називається мітозом. Таємничий танець, виконуваний хромосомами при їхньому поділі під час мітозу на два ідентичні набори, вперше спостерігався дослідниками більше ста років тому, проте й досі багато в цій фантастично точній хореографії хромосомних рухів ще залишається незрозумілим. Мітоз є безперервним ланцюгом подій, але для того, щоб зручніше було в них розібратися, біологи умовно розділили цей процес на чотири стадії залежно від того, як виглядають у цей час хромосоми у світловому мікроскопі. Перша фаза мітозу - профаза.Це найтриваліша стадія мітозу. Вона характеризується тим, що в ній:

Відбувається суперспіралізація ДНК, внаслідок чого хроматиди коротшають і товщають, хромосоми стають видимими під мікроскопом;

Ядерця зникають, оскільки припиняється синтез р-РНК;

Ядерна оболонка розпадається на фрагменти і хромосоми виявляються в цитоплазмі;

Починає формуватися веретено поділу: у тварин клітинах центріолі, які були розташовані в області клітинного центру, прямують до протилежних полюсів клітини, між ними починають з'являтися нитки веретена поділу. У клітинах вищих рослин веретено поділу формується без участі центріолей. Нитки веретена приєднуються до центромірів хромосом, які починають рухатися до центральної частини клітини.

Наступна фаза мітозу - метафаза.У ній:

Закінчує формуватися веретено поділу (сукупність мікротрубочок, що складаються з білка турбуліну);

Хромосоми вишиковуються в центральній частині клітини в одній площині таким чином, що їх центроміри розташовуються на рівних відстанях від полюсів клітини;

Наприкінці метафази хроматиди відокремлюються одна від одної.

Анафаза- Найкоротша фаза мітозу. Вона характеризується тим, що:

Нитки веретена поділу коротшають і розтягують хроматиди, що відокремилися один від одного в кінці метафази, до протилежних полюсів клітини, внаслідок чого вони стають хромосомами;

До кінця анафази кожного полюса клітини виявляється диплоїдний набір хромосом.

Телофаза- Остання фаза мітозу. У ній відбуваються такі процеси:

Деспіралізація молекул ДНК, внаслідок чого хромосоми перетворюються на хроматин;

Навколо скупчень хроматину, що утворилися біля протилежних полюсів клітини, утворюються ядерні оболонки;

У дочірніх ядрах, що утворилися таким чином, формуються ядерця;

Протягом телофази, починаючи від полюсів клітини до її екватора, поступово руйнується веретено поділу;

Наприкінці телофази ділиться цитоплазма материнської клітини, що призводить до утворення двох дочірніх клітин.

Біологічне значення мітозу полягає у точній передачі спадкової інформації від материнської клітини дочірнім.

Лабораторна робота №6

1 ) постмітотичний (пресинтетичний) – q 1 (G 1) - від 10 годин до кількох діб. Слід слідом за поділом. У молодих дочірніх клітинах спостерігається висока інтенсивність процесів транскрипції, формування синтетичного апарату клітини – збільшення кількості рибосом, різних видів РНК (РРНК, МРНК, ІРНК). Посилення синтезу білка, синтезуються структурні та функціональні білки, інтенсивний клітинний метаболізм, контрольований ферментами, ріст клітини, утворення та відновлення необхідної кількості органоїдів

2 ) синтетичний – S- 6 – 10 годин; Значною подією є подвоєння (редуплікація ДНК), що призводить до подвоєння плідності (зміст ДНК подвоюється) диплоїдних ядер (хромосоми стають двороматидними) і є обов'язковою умовою для подальшого мітотичного поділу клітин. Відбувається також синтез РНК, гістонових білків, продовжується зростання клітини.

3 ) постсинтетичний (премітотичний) q 2 (G 2) - 2 - 5 годин. Продовжується синтез РНК, всіх білків, особливо ядерних, а також білка тубуліна, необхідного для формування ахроматинового веретена мітотичного апарату, що утворюється в профазі мітозу і мейозу. Відбувається накопичення поживних речовин, енергії, синтез АТФ. Розподіл мітохондрій, хлоропластів, реплікація центріолей та початок утворення веретена поділу. Наприкінці цього періоду клітина переходить до профази мітозу.

Головні події мітотичного циклу:

1) редуплікаціясамоподвоєння спадкового матеріалу (синтетичний період)

2) рівномірний розподілспадкового матеріалу між дочірніми клітинами (анафаза мітозу – розподіл хроматид – дочірніх хромосом.)

Співвідношення кількості днк (с) та хромосом (n) у мітотичному циклі:

Мітоз: 1) Профаза 2п 4с, 2) Метафаза 2п 4с, 3) Анафаза 4п 4с (однохроматидні дочірні хромосоми); 4) Телофаза 2п 2с (однохроматидні дочірні хромосоми)

ІНТЕРФАЗУ: 1) Постмітотичний період 2п 2с (однохроматидні дочірньо-сестринські хромосоми)

2) Синтетичний період 2п 4с, 3) Постсинтетичний період 2п 4с (двохроматидні материнські хромосоми)

Зверніть увагу, що хроматида містить одну молекулу ДНК (c).

Освіта сестринської

хроматиди

Хромосома інтерфазного ядра

Схема мітотичного циклу

Життєвий цикл клітин (клітинний цикл) - це період існування клітини від моменту її утворення шляхом поділу материнської клітини до власного поділу або смерті. Обов'язковим компонентом життєвого циклу є мітотичний цикл. Багато клітин виходять з мітотичного циклу на шлях спеціалізації, диференціюються, виконують певні функції та їхнє життя закінчується смертю. Однак деякі диференційовані клітини (епітеліальні, сполучнотканинні) за певних умов переходять до підготовки до мітозу і самого мітозу. У таких клітин життєвий цикл триваліший за мітотичний. Для різних типів клітин життєвий цикл різний. У деяких клітинах відсутні ті чи інші фази мітотичного циклу. Частина клітин виходять із мітотичного циклу на шлях диференціювання та спеціалізації, їх пресинтетичний період подовжується. У нервових клітин цей період триває протягом усього життя організму, і вони не діляться, тому життєвий цикл таких клітин, наприклад нервових, не збігається з мітотичним циклом.Клітини, що утворюють клітинні популяції, що оновлюються, постійно діляться, проходячи мітоз і інтерфазу, мають клітинний цикл, що збігається з мітотичним цикломце, наприклад, ембріональні клітини, ростові базального шару шкіри, клітини освітньої тканини рослин (кінчик кореня, стебла, камбій), клітини, що регенерують, клітини сім'яників.

Триває 1-2 години. Більшість компонентів клітини синтезується протягом усієї інтерфази, це ускладнює виділення в ній окремих стадій (Pardee, 1978; Yanishevsky, 1981). Однак в інтерфазі виділяють фазу G(l1)l, фазу S і фазу G(l2)l. Період інтерфази, коли відбувається реплікація ДНК клітинного ядра, було названо "фаза S" (від слова synthesis).

Період між фазою М та початком фази S позначений як фаза G(l1)l (від слова gap - проміжок), а період між кінцем фази S та наступною фазою М - як фаза G(l2)l. Під час G(l1)l-фази відновлюються інтенсивні біосинтетичні процеси, що різко уповільнені під час клітинного поділу.

Фаза G(l2)l потрібна для підготовки клітин до мітозу (Johnson, 1970; Bradbury, 1974; Isenberg, 1979). далі Клітина: фаза G(l2)l

Тривалість мітотичного циклу варіює у різних організмів у межах. Найкоротші клітинні цикли виявлені у яєць, що дробляться, деяких тварин. Наприклад, у золотої рибки перші поділу дроблення відбуваються через 20 хв (докладніше про це розділ індивідуальний розвиток). Досить поширені мітотичні цикли тривалістю 18-20 год. Зустрічаються цикли, які тривають кілька діб. Час від поділу до поділу клітин може значно відрізнятися в межах одного і того ж організму. Так, при вивченні тривалості клітинних циклів епітеліальних клітин миші з'ясувалося, що в дванадцятипалій кишці епітеліальні клітини діляться кожні 11 год, у худій кишці – приблизно через 19 год, у рогівці ока – через 3 доби, а в шкірному епітелії від поділу до ділення 24 доби. Час, який клітина витрачає безпосередньо на поділ, зазвичай становить 1-3 год (ембріональні мітози набагато коротше). Отже, основну частину життя клітини перебувають у інтерфазі. Назва цієї стадії виникло ще в минулому столітті, коли про діяльність клітин могли судити лише щодо змін їхньої морфології, оскільки єдиним інструментом дослідження був світловий мікроскоп. Оскільки помітні морфологічні зміни клітин відбувалися під час поділу, то до них і була прикута увага біологів, а період між поділками отримав назву проміжного (лат. inter – між) чи фази спокою. Завдяки появі сучасних методів вивчення клітини – електронної мікроскопії, авторадіографії, можливості вимірювати вміст різних внутрішньоклітинних речовин – вдалося встановити, що в інтерфазі відбуваються найважливіші події клітинного життя, зокрема подвоєння хромосом.

Зазвичай інтерфазу поділяють на три періоди: пресинтетичний, синтетичний та постсинтетичний. Пресинтетичний (Gi) період (англ. gap – інтервал) слід безпосередньо за розподілом. Як правило, це найтриваліший період інтерфази (рис. 61). У клітинах еукаріотів він триває від 10 год до декількох діб. Під час нього відбувається підготовка клітини до подвоєння хромосом: синтезується РНК, утворюються різні білки, зокрема необхідні освіти попередників ДНК. При цьому збільшується кількість рибосом та поверхня шорсткої ендоплазматичної мережі, зростає кількість мітохондрій. Усе це призводить до того, що клітина інтенсивно зростає. У синтетичному (S) періоді продовжується синтез РНК та білків і одночасно відбувається подвоєння хромосом, в основі якого лежить процес реплікації ДНК.

Знову синтезована ДНК відразу ж поєднується з хромосомними білками. Синтез ДНК триває кілька годин, зазвичай 6-10. Після закінчення кожна хромосома виявляється подвоєною - що складається з двох сестринських хроматид. У генетичному відношенні хроматиди повністю ідентичні один одному, тому що їх ДНК складається з одного материнської та другої знову синтезованого ланцюга. Сестринські хроматиди тісно зближені та з'єднані в тому районі хромосоми, що забезпечує її рух при розподілі клітини. Він називається центромірним районом хромосоми (рис. 62, рис. 63).

Після повного подвоєння хромосом настає постсинтетичний період (G2). У цей час клітина готується до поділу: синтезуються білки мікротрубочок, які під час мітозу формуватимуть веретено поділу, запасається енергія. Тривалість G2-періоду менша, ніж у S- і Gi-періодів, і зазвичай становить 3-6 год.

Серед усіх цікавих і досить складних тем у біології варто виділити два процеси поділу клітин в організмі. мейоз та мітоз. Спочатку може здатися, що ці процеси однакові, оскільки в обох випадках відбувається розподіл клітин, але насправді між ними існує велика різниця. Насамперед, потрібно розібратися з мітозом. Що цей процес являє собою, що таке інтерфаза мітозу і яку роль вони грають в людському організмі? Докладніше про це і йтиметься у цій статті.

Складний біологічний процес, який супроводжується розподілом клітин та розподілом хромосом між цими клітинами – все це можна сказати про мітоз. Завдяки йому між дочірніми клітинами організму рівномірно розподіляються хромосоми, в яких міститься ДНК.

Існує 4 основні фази процесу мітозу. Всі вони пов'язані між собою, оскільки фази плавно переходять із однієї на іншу. Поширеність мітозу в природі обумовлена ​​тим, що саме він бере участь у процесі розподілу всіх клітин, серед яких м'язові, нервові тощо.

Коротко про інтерфаз

Перед потраплянням у стан мітозу клітина, яка розділяється, перетворюється на період інтерфази, тобто зростає. Тривалість інтерфази може тривати понад 90% всього часу активності клітини у звичайному режимі.

Інтерфаза ділиться на 3 основні періоди:

• фаза G1;
• S-фаза;
• фаза G2.

Усі вони проходять у певній послідовності. Розглянемо кожну із цих фаз окремо.

Інтерфаза – основні складові (формула)

Фаза G1

Цей період характеризується підготовкою клітини до поділу. Вона збільшується в обсягах подальшої фази синтезу ДНК.

S-фаза

Це наступний етап у процесі інтерфази, у якому відбувається розподіл клітин організму. Як правило, синтез більшості клітин відбувається на невеликий проміжок часу. Після поділу клітини не збільшуються у розмірах, а починається остання фаза.

Фаза G2

Фінальний етап інтерфази, протягом якого клітини продовжують синтезувати білки, збільшуючись у розмірах. У цей період у клітині, як і раніше, є нуклеоли. Також в останній частині інтерфази відбувається дублювання хромосом, а поверхня ядра тим часом покривається спеціальною оболонкою, що має захисну функцію.

На замітку!По завершенню третьої фази настає мітоз. Він також включає кілька стадій, після яких відбувається розподіл клітини (цей процес у медицині називається цитокінезом).

Стадії мітозу

Як ми вже відзначали раніше, мітоз ділиться на 4 стадії, але іноді їх може бути і більше. Нижче представлені основні їх.

Таблиця. Опис основних фаз мітозу.

Важливо!Тривалість повного процесу мітозу зазвичай становить не більше 1,5-2 годин. Тривалість може змінюватися в залежності від виду клітини, що розділяється. Також тривалість процесу впливають і зовнішні чинники, такі як світловий режим, температура тощо.

Яку біологічну роль відіграє мітоз?

Тепер спробуємо розібратися з особливостями мітозу та його важливістю у біологічному циклі. В першу чергу, він забезпечує багато процесів життєдіяльності організму, серед яких – ембріональний розвиток.

Також мітоз відповідає за відновлення тканин та внутрішніх органів організму після різних видів ушкодження, внаслідок чого відбувається регенерація. У процесі функціонування клітини поступово відмирають, але з допомогою мітозу структурна цілісність тканин постійно підтримується.

Мітоз забезпечує збереження певної кількості хромосом (воно відповідає числу хромосом у материнській клітині).

Відео – Особливості та види мітозу