§ 24. Клітинний цикл. Мітоз

Пригадайте, що таке вид, нейрони, ситоподібні трубки, хроматин, хромосоми, центріолі. Що таке центромера та кінетохор? Яка зовнішня будова кореня?

Період існування клітини від початку одного поділу до настання наступного або ж від початку останнього поділу клітини до її загибелі називають клітинним циклом (мал. 24.1). Його тривалість у різних організмів неоднакова: у бактерій за оптимальних умов вона становить 20-30 хв, у клітин еукаріотів - 10-80 год і більше (наприклад, інфузорія-туфелька може за оптимальних умов ділитися кожні 10-20 год).

Між двома послідовними поділами клітини існує певний період, який має назву інтерфаза (від лат. інтер - між і грец. фазіс - поява). В інших випадках інтерфаза триває від останнього поділу клітини до моменту її загибелі. Таке явище спостерігають у клітин багатоклітинних організмів, які втрачають здатність до поділу (нейрони, еритроцити, ситоподібні трубки тощо).

Мал. 24.1. Узагальнена схема клітинного циклу. Завдання. Схарактеризуйте різні періоди інтерфази

В інтерфазі клітина росте, у ній інтенсивно синтезуються білки та інші органічні сполуки, активно запасається енергія, потрібна для здійснення наступного поділу клітини. Найінтенсивніше процеси синтезу перебігають у період інтерфази, який називають синтетичним (мал. 24.1). У цей час подвоюються хроматиди (процес пов’язаний з подвоєнням молекул ядерної ДНК), центріолі, діляться мітохондрії та пластиди.

Період між завершенням попереднього поділу клітини і синтетичним періодом називають перед синтетичним, а між завершенням синтетичного періоду і початком наступного поділу - післясинтетичним (мал. 24.1). Тривалість інтерфази переважно становить до 90 % часу всього клітинного циклу. Стимулом для наступного поділу клітини часто є досягнення нею певних розмірів в інтерфазі. Основним способом поділу еукаріотичних клітин є мітоз (від грец. мітос - нитка) (мал. 24.2). Процес мітозу супроводжується утворенням особливого апарату - веретена поділу, який забезпечує рівномірний розподіл спадкового матеріалу материнської клітини між двома дочірніми. У цьому процесі часто беруть участь центріолі (наприклад, у клітинах багатоклітинних тварин).

Фази мітотичного поділу. Мітоз складається із чотирьох послідовних фаз: профази, метафази, анафази і телофази (мал. 24.2). Його тривалість - від кількох хвилин до 2-3 год. Профаза (від грец. про - перед) починається з ущільнення ниток хроматину: вони вкорочуються й ущільнюються (спіралізуються) (мал. 24.2, І). Стають помітними щільні тільця - хромосоми, в них - первинна перетяжка (центромера), де розташований кінетохор. У цей час під світловим мікроскопом можна розглянути будову хромосом і підрахувати їхню кількість. Поступово зменшуються в розмірах і зникають ядерця. У більшості клітин під час поділу ядерна оболонка розпадається на фрагменти та зникає (за винятком деяких одноклітинних еукаріотів), і хромосоми опиняються в цитоплазмі (мал. 24.2, II). У цей самий час починає формуватися веретено поділу. Його нитки прикріплюються до кінетохорів, і хромосоми починають рухатись до центральної частини клітини (мал. 24.2, II).

Мал. 24.2. Мітоз. І. Профаза: зникнення ядерної оболонки; II. Профаза: хромосоми опиняються у цитоплазмі; III. Початок метафази: нитки веретена поділу приєднуються до кінетохорів; IV. Завершення метафази: хромосоми розташовані по центру клітини; V. Анафаза: хроматиди кожної з хромосом розходяться до полюсів клітини. VI. Телофаза: формування оболонки ядер, поділ цитоплазми та утворення дочірніх клітин

Під час метафази (від грец. мета - після) завершується ущільнення хромосом і формування веретена поділу. Саме в цей час деталі будови хромосом стають помітними найчіткіше. Хромосоми наче «вишиковуються» в одній площині в центральній частині клітини, а їхні центромери розташовані на однакових відстанях від кожного з полюсів клітини. Наприкінці метафази дві структурні одиниці хромосом - хроматиди (їх ще називають сестринськими хромосомами) відокремлюються одна від одної (мал. 24.2, III, IV).

Анафаза (від грец. ана - знову, поза) - найкоротша фаза мітозу (мал. 24.2, V). У цей час діляться центромери, і окремі хроматиди кожної хромосоми починають рухатися до різних полюсів клітини. Кожна з хроматид відповідає половині спадкового матеріалу хромосоми у профазі, тобто хроматиди містять ідентичний спадковий матеріал.

Телофаза (від грец. мелос — кінець) триває від моменту припинення руху хроматид до утворення двох дочірніх клітин (мал. 24.2, VI). На початку телофази хромосоми деспіралізуються. Навколо кожного з двох скупчень хроматид формується ядерна оболонка, з’являються ядерця, і ядра дочірніх клітин набувають такого вигляду, який вони мали в інтерфазі. Протягом телофази поступово зникає веретено поділу, ділиться цитоплазма материнської клітини й утворюються дві дочірні.

Біологічне значення мітозу. Мітотичний поділ забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнської клітини дочірнім протягом низки послідовних клітинних циклів. Кожна з дочірніх клітин отримує по одній хроматиді від кожної хромосоми. Завдяки цьому зберігається і постійне число хромосом в усіх дочірніх клітинах, і сталий набір спадкової інформації.

Поспостерігайте за процесами життєдіяльності клітин, навчіться розпізнавати на схемах, постійних мікропрепаратах, мікрофотографіях фази мітотичного поділу клітин, виконавши лабораторне дослідження.

Процес мітозу забезпечує сталість каріотипу організмів певного виду, тобто саме існування біологічних видів протягом тривалих історичних проміжків часу.

Лабораторне дослідження фаз мітозу (на прикладі клітин кореня цибулі)

Обладнання і матеріали: мікроскопи, постійні мікропрепарати клітин корінців цибулі або інших рослин на різних стадіях мітотичного циклу, мікрофотографії різних стадій мітотичного поділу клітин.

1. Підготуйте мікроскоп до роботи.

2. За малого збільшення мікроскопа знайдіть на мікропрепараті корінця кореневий чохлик, зони поділу і розтягнення.

3. За великого збільшення мікроскопа знайдіть у зоні поділу клітини на стадіях інтерфази (прямокутні, оточені товстою клітинною стінкою), профази (у центральній частині клітини помітні хромосоми), метафази (помітне веретено поділу, хромосоми у центральній частині клітини складаються з двох хроматид кожна), анафази (хроматиди розташовані на полюсах клітини), телофази (хромосоми розкручуються, з’являється ядерна оболонка і перегородка між дочірніми клітинами).

4. Порівняйте побачене з мікрофотографіями різних стадій мітотичного поділу клітин.

Регуляція клітинного циклу. Головні події клітинного циклу - подвоєння молекул ДНК в інтерфазі та розходження сестринських хроматид в анафазі. Клітинний цикл чітко керується. Існують так звані контрольні пункти, у яких він перевіряється на правильність і в разі помилок може бути зупинений. Проходженням клітинного циклу через ці контрольні пункти керують спеціальні ферменти.

Вивчаючи попередній матеріал, присвячений будові та процесам життєдіяльності клітини, ви зрозуміли, що кожна клітина є цілісною саморегульованою біологічною системою. Насамперед, це стосується одноклітинних організмів, у яких окрема клітина є одночасно й самостійним організмом. У багатоклітинних організмів діяльність окремих клітин регулюють біологічно активні речовини (фітогормони у рослин, гормони та нейрогормони у тварин), а в більшості багатоклітинних тварин - ще й нервова система. Для клітин еукаріотів характерна чітка періодичність фізико-хімічних процесів, які в ній відбуваються. Це, у свою чергу, визначає й періодичність біологічних процесів у нашому організмі: періоди сну та неспання, періодичність виділення травних ферментів протягом доби тощо.

На діяльність клітини можуть впливати й чинники зовнішнього щодо неї середовища. Наприклад, для синтезу хлорофілу в клітинах рослин потрібний доступ світла.

Цікаво знати

Кожна клітина як і цілісний організм характеризується певною тривалістю життя, запрограмованою спадково. Так, клітини кишківника живуть близько 5 діб; кореневі волоски рослин - близько 20 діб; еритроцити людини - близько 120; клітини печінки (гепатоцити) - близько 480; нейрони та м’язові клітини - десятки років.

Регуляцію клітинного циклу забезпечують складні молекулярні механізми.

Ключові терміни та поняття: клітинний цикл, інтерфаза, мітоз, профаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Перевірте здобуті знання

1. З яких періодів складається клітинний цикл? 2. Що таке інтерфаза? Яке її значення для існування клітини? 3. Що таке мітоз? З яких фаз він складається? 4. Які події відбуваються під час профази? 5. Чим характеризується метафаза? 6. Що відбувається під час анафази? 7. Схарактеризуйте події телофази. 8. У чому полягає біологічне значення мітозу?

Поміркуйте. Чи могли б існувати тривалі історичні відрізки часу види, якби під час мітозу не відбувалася точна передача спадкової інформації від материнської клітини дочірнім? Відповідь обґрунтуйте.

Творче завдання. Запропонуйте свої варіанти застосування моделювання у дослідженнях будови та процесів життєдіяльності клітин.