Страница - 17

Глава 11. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

§30. Интерфаза и ее стадии

Цель изучения этой темы: объяснить процессы, происходящие в интерфазе клеточного цикла.

Что такое клеточный цикл? Из каких двух основных периодов он состоит? Что такое интерфаза? Какое главное событие происходит в интерфазе? Из­меняется ли количество хромосом при делении клеток митозом?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 51 - учебник для 7 класса, § 45 - учебник для 8 класса.

Клеточный цикл - это время от появления в результате деления до образования дочерних клеток. Клеточный цикл делится на два периода: подготовительный - интерфаза и последующее деление - митоз (рис. 47).

Интерфаза — это период, во время которого новорожденная клетка растет и готовится к последующему делению. Интерфаза занимает пример­но 80% времени всей жизни клетки, ее клеточного цикла. Самое важное событие интерфазы - это репликация, т. е. самоудвоение молекул ДНК. Без репликации количество хромосом в дочерних клетках закончилось бы через несколько поколений. Даже если предположить, что клетки без хромосом или с недостаточным их количеством смогли бы существовать какое-то непродолжительное время, они все равно не смогут размножаться.

Следовательно, без самоудвоения молекул ДНК и, как следствие, без увеличения количества хромосом невозможно последующее деление, т. е. размножение клеток.

Кроме репликации, в интерфазе происходит накапливание питатель­ных веществ и энергии в виде АТФ, увеличение количества органоидов и рост клеток.

Зрелая клетка, готовая к делению, имеет обычно крупное ядро. У многих типов клеток сигналом готовности к делению служит соотно­шение объемов цитоплазмы к объему ядра.

Стадии интерфазы (краткая характеристика). Процесс репликации происходит примерно в середине интерфазы, в так называемом S-периоде. Вся интерфаза состоит из трех периодов. Для начала рассмотрим их очень кратко.

• G — рост молодых, только что поделившихся клеток, восстановле­ние нормального числа органоидов.
• S-период - синтетический. Здесь происходит синтез ДНК - ее реп­ликация, т. е. удвоение хромосом. К концу S-периода все хромосомы клетки состоят из двух молекул ДНК - хроматид. Две хроматиды, обра­зовавшиеся в результате репликации одной хромосомы, соединены друг с другом центромерой. Параллельно происходит синтез и других необхо­димых веществ: ферментов, АТФ, сократительных белков и т. д.

G₂ - подготовка к делению клеток. Формирование структур, не­обходимых для деления (накапливаются сократительные белки, из ко­торых образуется веретено деления). Продолжается процесс увеличения объема клеток, т. е. рост.

У некоторых клеток в любой момент интерфазы может возникнуть так называемый период G_o. Это происходит, если жизненные процессы приостанавливаются, как, например, в покоящихся семенах растений или клетках животных, оказавшихся в анабиозе. Продолжительность пе­риода интерфазы может сильно варьироваться в зависимости от состоя­ния и типа клеток.

Стадии интерфазы (подробная характеристика). Если рассматривать более де­тально события каждого периода интерфазы, то нужно вспомнить и строение кле­ток, и биохимические процессы, в них происходящие. В Gj-периоде какие-то из органоидов как бы «растут», а у других происходит их «рождение» - образование. Так мембраны ЭПС и комплекса Гольджи начинают удлиняться - синтезироваться. Причем нужно помнить, что пузырьки, образующиеся в комплексе Гольджи, ис­пользуются для удлинения наружной мембраны клетки, без которой общий рост клетки невозможен.

У эукариот пластиды (если таковые имеются) и митохондрии расходятся по дочер­ним клеткам примерно поровну. Далее должно произойти «самоудвоение» этих полуавтономных органоидов. Для успешности этого процесса часть наследствен­ной информации из ядра поступает в митохондрии и (или) пластиды через цито­плазму клеток. В самих органоидах с помощью их собственной ДНК и рибосом происходит синтез необходимых белков, а с их помощью - и других компонентов. К концу G₁-периода количество этих полуавтономных органоидов становится та­ким же, как и в материнской клетке.

Параллельно происходит синтез субъединиц клеточных рибосом в ядре с помо­щью ядрышек и их сборка в функциональные рибосомы в цитоплазме. Микро­трубочки клеточного центра тоже самоудваиваются, собираясь из белковых нитей, образовавшихся на цитоплазматических рибосомах.

В общем, все компоненты клетки увеличиваются и достигают размеров и количе­ства, характерных для «взрослой» клетки.

В S-периоде происходит процесс, который будет подробно изучен вами в курсе биологии 10 класса. Но самое важное - к концу S-периода каждая хромосома содержит уже две молекулы ДНК. Они являются точной копией друг друга, если не произошла мутация. Эти дочерние, или сестринские, молекулы ДНК называются хроматидами Они связаны, т. е. неразрывно соединены в определенном участ­ке. называемом центромерой Разрыв центромеры произойдет только в процес­се деления.

Во время G₂-периода клетка непосредственно готовится к размножению - деле­нию. Происходит активный синтез именно тех веществ, из которых сформируются структуры, отвечающие за процесс разделения клетки. Это специальные белки- ферменты, без которых не начнется распад оболочки ядра. Важно сформировать и сократительные белки, без которых невозможно будет разделить хромосомы. Как и любой процесс, разделение клетки, распределение ее структур по дочерним клеткам, не может обойтись без затрат энергии. Именно поэтому немаловажную роль в G₂-периоде играет синтез энергетической валюты клетки - АТФ.

Когда все необходимые структуры и вещества готовы, начинается процесс размножения клеток, но эти события уже не являются интерфазой.

Знание и понимание

1. Что такое интерфаза?

1. Каков порядок стадий интерфазы, чем они различаются?

Применение

1. Определите связь между событиями, происходящими в интерфазе, и ее периодами.
2. Объясните значение клеточного цикла и интерфазы в нем. Анализ
3. Проанализируйте процессы, происходящие в G₁ периоде.
4. Изобразите в виде схемы события, происходящие в каждом из перио­дов интерфазы.

Синтез

1. Порассуждайте, какой из периодов интерфазы является самым важ­ным и почему.
2. Оцените роль S-периода, докажите, что без него продолжение жизни невозможно.

Оценка

1. Напишите реферат о мутационных проблемах, которые возможны во время интерфазы. Уточните, в каком периоде они могут произойти.
2. Оцените эволюционный смысл формирования этапов и событий, про­исходящих в интерфазе. Подискутируйте, возможны ли иная последо­вательность и иные события.

§ 31. Митоз и его фазы

Цель изучения этой темы: охарактеризовать фазы митоза.

Что такое митоз? Что происходит с количеством хромосом в дочерних клет­ках при митозе? Какие клетки делятся митозом у растений и животных?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 51 - учебник для 7 класса; § 45 - учебник для 8 класса.

Митоз — это способ деления клеток, когда из одной материнской образуются две дочерние клетки и набор хромосом в них не изме­няется.

Кроме того, используются такие определения, как: «Митоз — это способ деления, когда хромосомный набор со­храняется» или «Дочерние клетки точ­но копируют материнскую клетку». За счет митоза происходят рост и восста­новление многоклеточных организмов. Митозом делятся клетки и проростков пшеницы, и кожи человека, и отраста­ющего хвоста ящерицы. Поэтому можно сказать, что митоз - способ деления со­матических клеток. Для одноклеточ­ных эукариот митоз - основной способ размножения. Причем митозом размно­жаются и многие одноклеточные водо­росли, и простейшие животные.

Фазы митоза. Как и любой сложный процесс, митоз происходит не мгновен­но, он требует времени и идет в четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза, тело­фаза (рис. 48, 49).

Так как приставка про- на латыни всегда обозначает «первый, предшеству­ющий», то и место профазы нельзя пе­репутать. Естественно, это первая фаза. Порядок остальных трех фаз легко за­помнить по начальным буквам: М-А-Т.

Профаза начинается с того, что разрушаются ядрышки и ядерная оболочка. Оказавшиеся в цитоплазме хромосомы спирализуются и становятся видимыми в световой микроскоп. Они начинают свое продвижение к центральной части клетки — экваториальной плоскости.

Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам клетки и начинают формировать нити веретена деления. Четкой границы между профазой и метафазой не существует, поэтому иногда выделяют прометафазу.

Метафаза характеризуется тем, что все хро­мосомы, состоящие из двух хроматид, выстра­иваются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку. Именно в этот момент жизни клетки идеально видны все хромосомы, их размеры и форма. Когда нужно сделать фотографию кариотипа, используют снимки метафазной пластинки. К каждой хроматиде крепятся нити веретена деления. Они соединяются с центромерой, или первичной

перетяжкой (рис. 50). То есть к каждой хромосоме подходят две нити ве­ретена - одна к одной хроматиде, другая к другой.

Анафаза начинается с того, что место соединения двух хроматид - цен­тромера - разрывается. За счет энергии АТФ нити веретена деления со­кращаются и разрывают центромеру. Поэтому дочерние хроматиды рас­падаются на самостоятельные двуспиральные молекулы ДПК, которые и двигаются к полюсам клетки. С этого момента хроматиды можно назы­вать хромосомами. После того как хроматиды стали самостоятельными, они двигаются к полюсам клетки, пока не достигнут центриолей. С этого момента начинается следующая фаза митоза.

В телофазе происходит процесс формирования тел дочерних клеток. Иногда телофазу называют профазой наоборот. Хроматиды приобретают обычную интерфазную форму. Формируется ядерная оболочка, отделяю­щая хромосомы от цитоплазмы. После этого считается, что кариокинез завершен. Кариокинез - деление ядра, т. е. формирование ядер дочерних клеток.

Начинается процесс цитокинеза — деления цитоплазмы. Органоиды более или менее равномерно распределяются по дочерним клеткам. Цито­плазма перешнуровывается, формируется наружная мембрана дочерних клеток. Как только между клетками исчезнет цитоплазматический тяж, а их мембраны ограничат самостоятельные клетки, процесс митоза считается завершенным.

У некоторых клеток кариокинез происходит многократно, а цитокинез не проис­ходит. Так формируются многоядерные клетки, такие как клетки поперечнополо- сатой мышцы, хлебной плесени и др. У инфузорий-туфелек большое вегетативное ядро формируется в результате многократного кариокинеза, но потом все образо­вавшиеся ядра сливаются в одно. Внутри такого ядра находится несколько наборов хромосом (4,16 или более).

Итоги митоза - это появление двух дочерних клеток с абсолютно иден­тичным набором хромосом, одинаковым как в них обеих, так и относи­тельно материнской клетки (если не произошло мутации). Причем по ко­личеству и содержанию органоидов, по объему и составу цитоплазмы, как и по размеру, дочерние клетки тоже будут приблизительно одинаковые.

 Знание и понимание

1. Как вы понимаете результаты митоза?
2. Что такое митоз?

Применение

1. Сравните профазу и телофазу.
2. Рассмотрите рисунок. Определите фазы митоза.

Анализ

1. Выскажите ваше мнение о причинах, почему телофазу называют про­фазой наоборот.
2. Проанализируйте процесс метафазы и анафазы. Покажите разницу между ними.

Синтез

1. Порассуждайте, почему для анализа строения и формы хромосом ис­пользуют именно фотоматериалы метафазы.
2. Напишите эссе: «Последовательность событий в стадиях митоза».

Оценка

1. Считаете ли вы, что выделять прометафазу уместно, а метаанафазу лет? Ответ аргументируйте.
2. Оцените последствия неверного распределения хромосом при митозе в клетках кожи, в клетках половых желез у животных и в клетках боковой почки древесного цветкового растения.

Цель работы: исследовать фазы митоза на примере митоза в клетках кореш­ка лука.

Оборудование: учебник и (или) настенные таблицы «Фазы митоза», микро­скоп, готовые микропрепараты «Митоз в корешках лука», либо растущие прида­точные корешки лука (их кончики) и набор для изготовления микропрепаратов.

Ход работы

1. Приготовьте микропрепарат из кончиков корешков лука или рассмотрите готовый микропрепарат.
2. Определите фазы митоза на микропрепарате.
3. Сравните изображения в учебнике (настенной таблице) с реальными микропрепаратами.
4. Расставьте цифры в верном порядке и укажите фазы митоза на микрофотографии.
5. Заполните таблицу.

События	Профаза	Метафаза	Анафаза	Телофаза
Что происходит
Количество хрома­тид в хромосоме

6. Ответьте на вопросы.

В какой фазе происходит разрыв центромеры, а молекулы ДНК хрома­тиды - становятся самостоятельными хромосомами?

В какую из фаз хромосомы выстраиваются по экватору? Как называется образовавшаяся структура?

Какой цифрой обозначена первая фаза митоза?

Как называется фаза, в которой вокруг разошедшихся к полюсам хромо­сом образуются ядерные оболочки, а сама клетка и вся ее цитоплазма с органои­дами делится перетяжкой почти пополам?