§ 14 Деление клетки. Митоз

Все новые клетки возникают путем деления уже существующей клетки, реализуя основной закон жизни: «клетка — от клетки». Этот процесс наблюда­ется и у одноклеточных, и у многоклеточных организмов.

У одноклеточных организмов деление клетки лежит в основе бесполого размножения, ведущего к увеличению их численности. У многоклеточных орга­низмов деление лежит в основе формирования самого организма. Начав свое существование с одной клетки (зиготы), благодаря многократно повторяюще­муся делению они создают путем бесполого размножения миллиарды новых клеток: таким образом идет рост организма, обновление его тканей, замена по­старевших и отмерших клеток. Клеточное деление не прекращается на протя­жении всей жизни организма — от рождения до смерти.

Известно, что клетки со временем стареют (в них накапливаются ненужные им продук­ты обмена) и отмирают. Подсчитано, что у взрослого человека общее количество кле­ток составляет более 10¹⁵. Из них ежедневно отмирает около 1-2% клеток. Так, клет­ки печени живут не более 1 8 месяцев, эритроциты — 4 месяца, клетки эпителия тон­кого кишечника — 1-2 дня. Только нервные клетки живут на протяжении всей жизни человека и функционируют, не заменяясь. Все остальные клетки человека заменяются новыми приблизительно каждые 7 лет.

Все замены клеток в организме осуществляются путем их постоянного деления.

Деление клеток — сложный процесс бесполого размножения. Образо­вавшиеся новые дочерние клетки обычно становятся способными к делению после некоторого периода своего развития. Это обусловлено тем, что деле­нию должно предшествовать удвоение внутриклеточных органоидов, обеспе­чивающих жизнедеятельность клетки. В противном случае в дочерние клетки попадало бы все меньше и меньше органоидов. Дочерняя клетка для нормаль­ного функционирования, подобно родительской, должна получить наследст­венную информацию о своих основных признаках, заключенную в хромосо­мах. Без этой информации клетка не сможет синтезировать те нуклеиновые кислоты и белки, которые ей потребуются. А это значит, что каждой дочерней клетке при делении необходимо получить копию хромосом с наследственной информацией от родительской клетки.

Самовоспроизведение путем деления — общее свойство клеток однокле­точных и многоклеточных организмов. Однако этот процесс происходит неодинаково у клеток прокариот и эукариот.

Деление клеток у прокариот. Клеточное деление прокариот обусловле­но особенностями строения их клеток. У прокариотических клеток нет ядра и хромосом. Поэтому клетки размножаются простым делением. Ядерное веще­ство у бактерий представлено одной кольцевой молекулой ДНК, которую условно считают хромосомой. ДНК имеет вид кольца и обычно прикреплена к клеточной мембране. Перед делением бактериальная ДНК удваивается, и каж­дая из них, в свою очередь, прикрепляется к клеточной мембране. По заверше­нии удвоения ДНК клеточная мембрана врастает между образовавшимися двумя молекулами ДНК. Таким образом, цитоплазма оказывается поделенной на две дочерние клетки, в каждой из которых содержится по идентичной кольце­вой молекуле ДНК (рис. 20).

Деление клеток у эукариот. В клетках эукариот молекулы ДНК заключе­ны в хромосомах. Хромосомы играют главную роль в процессе клеточ­ного деления. Они обеспечивают передачу всей наследственной информации и участие в регуляции процессов обмена веществ у дочерних клеток. Распреде­лением хромосом между дочерними клетками и передачей каждой из них стро­го одинакового набора хромосом достигается преемственность свойств в ря­ду поколений организмов.

При делении ядро эукариотической клетки проходит ряд последователь­но и непрерывно идущих друг за другом стадий. Этот процесс называют мито­зом (греч. mitos— «нить»).

В результате митоза происходит сначала удвоение, а затем равномерное распределение наследственного материала между двумя ядрами возника­ющих дочерних клеток.

В зависимости от того, что происходит в делящейся клетке и как вы­глядят эти события под микроскопом, различают четыре фазы, или стадии, митоза, следующие одна за другой: первая фаза — профаза, вторая — метафаза, третья — анафаза и четвертая, завершающая, — телофаза. Рассмотрим, что же происходит в ядре на разных стадиях деления (рис. 21).

Профаза. Увеличен объем ядра. Ядерная мембрана распадается. Четко видны удвоенные хромосомы: они состоят из двух нитевидных копий — хроматид, соединенных перетяжкой — центромерой. В цитоплазме из микротрубочек формируется аппарат для растаскивания хромосом — веретено деления.

Метафаза. Хромосомы перемещаются в середину клетки. Каждая из них состоит из двух хроматид, соединенных центромерой. Один конец нитей вере­тена прикреплен к центромерам.

Анафаза. Микротрубочки сокращаются, центромеры разъединяются и удаляются друг от друга. Хромосомы разделяются, и хроматиды расходятся к противоположным полюсам веретена.

Телофаза. Формируются новые ядра. Хромосомы в новых ядрах стано­вятся тонкими, невидимыми в микроскоп. Вновь появляется ядрышко, и обра­зуется оболочка ядра. Это последняя фаза деления ядра клетки.

Одновременно с телофазой начинается разделение цитоплазмы. Вначале образуется перетяжка (перегородка) между дочерними клетками. Спустя неко­торое время содержимое клетки оказывается разделенным. Так появляются но­вые дочерние клетки с цитоплазмой вокруг новых одинаковых ядер. После это­го снова начинается подготовка к делению теперь уже новой клетки, и весь цикл повторяется непрерывно, если имеются благоприятные условия. Процесс митоза занимает около 1-2 ч. Продолжительность его различается у разных типов клеток и тканей. Зависит он также и от условий окружающей среды.

Деление ядра и, следовательно, клетки идет непрерывно, до тех пор по­ка в клетке имеются средства, обеспечивающие ее жизнедеятельность.

Клеточный цикл. Существование клетки от момента ее возникновения в результате деления до разделения на дочерние клетки называют жизненным циклом клетки или клеточным циклом. В жизненном цикле клетки выделяют два этапа (или стадии).

Первый этап клеточного цикла — подготовка клетки к делению. Его назы­вают интерфазой (от лат. inter— «между» и греч. phasis— «появление»). Интер­фаза в клеточном цикле занимает самый большой (до 90 %) промежуток време­ни. В этот период в клетке отчетливо видны ядро и ядрышко. Идет активный рост молодой клетки, осуществляется биосинтез белков, их накопление, подго­товка молекул ДНК к удвоению и удвоение (репликация) всего материала хромосом. Хромосом не видно, но активно идет процесс их удвоения. Удвоенная хромо­сома состоит из двух половинок, содержа­щих по одной двухцепочечной молекуле ДНК. Характерными признаками интерфаз­ных клеток являются деспирализация (раскрученность) хромосом и их равномерное распределение в виде рыхлой массы по всему ядру. К концу интерфазы хромосомы спирализуются (скручиваются) и становятся види­мыми, но еще представляют собой тонкие вытянутые нити (рис. 22).

На втором этапе клеточного цикла происходит митоз и разделение клет­ки на две дочерние.

После разделения каждая из двух дочерних клеток вновь вступает в пери­од интерфазы. С этого момента у обеих возникших эукариотных клеток начи­нается новый (теперь уже собственно их) клеточный цикл.

Как видим, клеточное деление у эукариот и прокариот происходит по-разному. Но и простое деление у прокариот, и деление путем митоза у эукариот являются способами бесполого размножения: дочерние клетки получают на­следственную информацию, которая имелась у родительской клетки. Дочерние клетки генетически идентичны родительской. Каких-либо изменений в гене­тическом аппарате здесь не происходит. Поэтому все появляющиеся в процес­се клеточного деления клетки и образовавшиеся из них ткани обладают гене­тической однородностью.

1. Объясните различия в процессах клеточного деления у прокари­от и эукариот.

2*. Почему при бесполом размножении потомки идентичны родителю?

3. Охарактеризуйте процесс митоза и особенности каждой его стадии.

4. Замените подчеркнутые слова терминами.

• Первая фаза митоза начинается, когда хромосомы становятся види­мыми.

• В конце третьей фазы митоза хромосомы находятся на противопо­ложных полюсах клетки.

• Структуры клетки, содержащие генетическую информацию, становят­ся видимыми только во время митоза.

Лабораторная работа № 2 (см. Приложение, с. 230).