Клеточный цикл. Деление клеток. Патология митоза и мейоза

Клеточный (жизненный) цикл– период жизни клетки с момента ее возникновения до последующего деления или смерти.

Он включает две фазы:

1. Интерфазу (подготовительный период)

2. Период деления

Интерфаза составляет большую часть времени жизненного цикла клетки и главное событие здесь – удвоение ДНК.

Интерфаза включает три периода:

- В пресинтетический (G₁) период клетка растет, синтезируются РНК и белки необходимые для редупликации (удвоения) ДНК. Продолжительность этой стадии интерфазы в среднем составляет около 10 часов.

- Синтетический (S) – главный, так как в этот период синтезируется ДНК, а к концу периода ДНК удваивается. Это необходимо для того, чтобы вновь образовавшиеся клетки имели такой же геном, как и их предшесвенница. На этой стадии продолжается синтез белков и РНК. Этот период обычно длится 9 часов.

- Во время постсинтетического (G₂) периода клетка готовится к делению, накапливая энергию и белки. Увеличивается количество митохондрий, делится центросома. Продолжительность этой фазы примерно 4 часа.

Деление клеток:

Известно три типа деления эукариотических клеток: амитоз, митоз и мейоз.

Амитоз – прямое деление. При этом клетка, а иногда – только ее ядро, делится путем простой перетяжки. Равномерного распределения наследственного материала не происходит. Амитоз – редкое явление. Он характерен для погибающих или измененных клеток (например, опухолевых).

Митоз – непрямое деление соматических клеток и незрелых половых. В результате из одной материнской клетки с диплоидным (2n) набором хромосом образуются две дочерниеклетки, точные ее копии, которые также содержат в себе диплоидный (2n) набор хромосом.Во время митоза происходит точное распределение генетического материала между дочерними клетками. Митоз является универсальным способом увеличения количества или замещения погибших эукариотических клеток.

В митозе выделяют четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу, телофазу.

Профаза: нити хроматина начинают закручиваться, спирализоваться. Хромосомы укорачиваются и утолщаются. Растворяется ядерная оболочка, исчезает ядрышко, центриоли расходятся к разным полюсам, между ними образуются нити веретена деления (в это время хромосомы двунитчатые, удвоение произошло в S – период интерфазы).

Метафаза: эта стадия митоза часто продолжается длительное время. Все хромосомы располагаются таким образом, что их центромеры лежат в одной плоскости (метафазная пластинка). На этой стадии хромосомы имеют самую малую длину, поскольку в это время они наиболее сильно спирализованы и конденсированы. Эта стадия наиболее пригодна для подсчета числа хромосом в клетке, изучения и описания их строения, определения размеров и так далее.

Анафаза: укорачиваются нити веретена деления и расщепляют хромосомы в области центромер на две половинки – хроматиды, которые расходятся к разным полюсам. Это самая короткая фаза митоза.

Телофаза: хромосомы деспирализуются и опять превращаются в тонкие нити хроматина, невидимые в световой микроскоп. Вокруг каждой группы дочерних хромосом формируются ядерные оболочки, появляются ядрышки, нити веретена деления распадаются. Органоиды цитоплазмы редуплицируются и равномерно распределяются между дочерними клетками.

Процесс деления цитоплазмы – цитокинез, проходит под действием сократимого кольца и начинается обычно в поздней анафазе или телофазе. Мембрана в средней части клетки (между двумя дочерними ядрами) начинает втягиваться внутрь в плоскости метафазной пластинки под прямым углом к длинной оси митотического веретена; образуется борозда деления, которая постепенно углубляется, пока не дойдет до узкого остатка веретена, расположенного между двумя дочерними ядрами. Этот мостик называется " остаточное тельце". Оно может существовать некоторое время, после чего сужается, а затем полностью разрушается, в результате чего образуются две полностью разделенные дочерние клетки.

Митоз заканчивается образованием двух клеток, которые обладают наследственным материалом, качественно и количественно идентичным предшествующей материнской клетке.

Удвоение хромосом в интерфазе митотического цикла, равномерное распределение хроматид между дочерними клетками обеспечивает поддержание постоянства генетической информации в ряду поколений клеток.

Во время деления могут происходить различные нарушения. Факторы внешней среды могут нарушать процесс митоза и приводить к появлению аномальных клеток.

Выделяют три типа патологии митоза:

1) Изменение структуры хромосом. При этом возможно появление

разрывов хромосом, наличие отдельных мелких хромосомных фрагментов. Подобная патология возникает под действием радиации, некоторых химических веществ, вирусов, а также в раковых клетках. В некоторых случаях отдельные хромосомы могут отстать от других в анафазе и попасть не в свою клетку. Это приводит к изменению количества хромосом в дочерних клетках, то есть к анеуплоидии.

2) Повреждение веретена деления. Это нарушает функцию

распределения хромосом между дочерними клетками. В результате возможно появление клеток, содержащих значительный избыток хромосом. Подобное действие характерно для многих противоопухолевых препаратов. Таким образом, тормозится деление клеток опухолей.

3) Нарушение деления цитоплазмы в периоде телофазы. Вследствие

этого образуются двуядерные клетки.

Патология митоза может приводить к появлению мозаицизма (например, часть клеток содержит 46 хромосом, другая – 47). Мозаицизм формируется на ранних стадиях дробления зародышевых клеток.

Мейоз (от греческого meiosis – уменьшение) состоит из двух последовательных делений ядра, которые приводят к образованию половых клеток - гамет.

Хотя во время мейоза клетка делится дважды, хромосомы удваиваются только один раз. В результате такого процесса обеспечивается редукция (уменьшение)числа хромосом в гамете вдвое по сравнению с исходной клеткой, с диплоидного набора (46 у человека) - до гаплоидного (23 у человека). Тогда при слиянии двух половых клеток новый организм обретет вновь диплоидное число хромосом.

Мейоз происходит во время гаметогенеза, в период созревания половых клеток и включает: мейоз I (редукционное деление) и мейоз II (эквационное деление).

В каждом делении мейоза по аналогии с митозом различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

ИнтерфазаI, предшествующая мейозу I, аналогична митотической и включает удвоение хромосом в синтетическом (S) периоде.

Профаза I– наиболее сложная стадия мейоза I и подразделяется на 5 стадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену, диакинез.

Начавшийся в интерфазеI синтез ДНК продолжается в профазеI, чего не обнаруживается в митозе.

Самая ранняя стадия профазы I – летпотена. На этой стадии появляются тонкие перекрученные нити хромосом, начинается их спирализация.

На стадии зиготены гомологичные хромосомы начинают попарно сближаться и точно соединяться друг с другом (конъюгация).

Две сцепленные таким образом хромосомы называются бивалентом, который состоит из четырех хроматид. В этот момент происходит кроссинговер – взаимный обмен участками хроматид между гомологичными хромосомами.

В результате возникают новые комбинации отцовских и материнских генов, отличающиеся от исходных.

Стадия пахитены характеризуется гаплоидным числом бивалентов. Биваленты утолщаются и укорачиваются.

На стадии диплотены гомологичные хромосомы отталкиваются друг от друга и остаются сцепленными только в тех местах, где произошел кроссинговер. Эти места называются хиазмами.

На стадии диакинеза усиливается спирализация хромосом, растворяется ядерная оболочка, исчезает ядрышко, биваленты выходят в цитоплазму и формирующимися нитями веретена деления направляются к экваториальной плоскости.

В метафазу I биваленты выстраиваются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку.

В анафазе I начинается расщепление бивалентов и к разным полюсам расходятся гомологичные двунитчатые хромосомы.

Телофаза I очень короткая. У полюсов собирается гаплоидный набор двунитчатых хромосом, формируются дочерние ядра, образуются две дочерние клетки (n2c).

Так заканчивается первое мейотическое деление – редукционное.

Интерфаза II короткая, в ней не происходит синтеза ДНК и удвоения хромосом.

Затем наступает второе мейотическое деление – мейозII.

В профазе II хромосомы спирализуются, в обеих клетках растворяются ядерные оболочки и ядрышки, формируются нити веретена деления.

В метафазу II двунитчатые хромосомы в обеих клетках нитями веретена деления выстраиваются по экватору.

Рис.2. Схема мейоза

В анафазе II выстроенные по экватору хромосомы расщепляются на две половинки, и сестринские хроматиды расходятся к разным полюсам.

Телофаза II завершается образованием четырех гаплоидных ядер. Происходит цитокинез, в результате которого образуются четыре клетки с гаплоидным набором однонитчатых хромосом (nc).

Следовательно, в результате двух последовательных мейотических делений из одной материнской клетки с диплоидным набором хромосом образуется четыре дочерние с гаплоидным набором хромосом (рис.2).

Значение мейоза:

- Механизм, который обеспечивает постоянство числа хромосом;

- Во время кроссинговера образуются новые комбинации наследственной информации, что приводит к изменчивости организмов.

Патология мейоза:

Патология этого типа деления клеток обычно приводит к сбою в процессе распределения хромосом в гаметах.

Выделяют простое, последовательное и двойное нерасхождение.

1)Простое нерасхождение - неправильное расхождение хромосом по клеткам в I или во II делениях мейоза. Если это происходит во время мейоза I, то все зрелые гаметы будут иметь патологический набор хромосом (анеуплоидию). Патология мейоза II изменяет количество хромосом только части гамет.

2)Последовательное нерасхождение затрагивает оба деления мейоза, нормальные гаметы не образуются.

3)Двойное нерасхождение – мейоз повреждается у обоих родителей (встречается крайне редко).

Гаметогенез у человека

Гаметы (от греч. gamete – жена, gametes – муж) – половые клетки, обеспечивающие передачу наследственной информации от родителей потомкам.

Процесс развития (образования) гамет называется гаметогенезом; развития сперматозоидов (мужских гамет) – сперматогенезом, развития яйцеклеток (женских гамет) – овогенезом.

Сперматогенез: семенник состоит из многочисленных канальцев. Развитие сперматозоидов происходит в стенке извитых канальцев семенников.

На поперечном разрезе канальца можно рассмотреть несколько слоев клеток (зон):

- зона размножения – в наружном слое семенного канальца происходит деление клеток митозом (это диплоидные клетки – 2n2c). Они размножаются на протяжении всего периода половой зрелости мужской особи и называются сперматогониями.

- зона роста – сперматогонии растут и образуется сперматоцит первого порядка – (2n4c).

- зона созревания:

- сначала происходит 1-е мейотическое деление и образуется сперматоцит второго порядка (n2c);

- затем – 2-е мейотическое деление и образуются сперматиды (nc).

- зона формирования – из сперматиды (у которой еще много цитоплазмы) формируются головка, шейка и хвостовая нить; образуется сперматозоид.

Овогенез: происходит в яичниках.

В эмбриональный период клетки яичника делятся митозом и образуются овогонии (2n2c), которые к моменту рождения превращаются в овоцит первого порядка и задерживают свое развитие, сохраняясь без изменений до полового созревания.

С наступлением половой зрелости (обычно ежемесячно) отдельный овоцит переходит к росту: удваивается ДНК (2n4c), увеличивается его размер, накапливаются белки, жиры, углеводы, пигменты.

Каждый овоцит окружается мелкими фолликулярными клетками, обеспечивающими его питание.

Сначала образуется первичный, затем вторичный и зрелый фолликулы.

Зрелый фолликул (граафов пузырек) заполнен жидкостью, а внутри его находится яйцеклетка.

Далее происходит овуляция (стенка зрелого фолликула лопается, яйцеклетка попадает в воронку маточной трубы) и наступает созревание яйцеклетки – 1-е мейотическое деление.

Из овоцита первого порядка образуется овоцит второго порядка и направительное тельце (которое при 2-м мейотическом делении может разделится еще раз).

В направительное тельце уходит только избыток хромосомного материала (n2c), а запас питательных веществ остается в овоците второго порядка.

2-е мейотическое деление заканчивается при проникновении сперматозоида в овоцит второго порядка.

Образуется овотида, которую называют зрелой яйцеклеткой и направительное тельце с половиной генетического материала.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: