§ 17. Клеточный цикл, его периоды

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период существования клетки от её образования до следующего деления или гибели. Он объединяет рост клетки, выполнение ею обычных функций, подготовку наследственного материала и его распределение при делении. Это понятие помогает рассматривать все изменения клетки как последовательность связанных этапов, а не как одно только деление.

Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и готовится к следующему делению. В это время происходит большая часть её повседневной работы, а также удваивается ДНК. Поэтому интерфаза не является «паузой»: без неё клетка не смогла бы подготовиться к делению.

Митотическая фаза — часть клеточного цикла, включающая митоз и обычно следующий за ним цитокинез. Митозом называют деление ядра, при котором хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами; цитокинезом — разделение цитоплазмы и самой клетки. Различение этих процессов помогает понять, почему деление ядра и образование двух клеток — не одно и то же событие.

Контрольные точки клеточного цикла — этапы, на которых клетка проверяет, готова ли она продолжать цикл. Она оценивает, например, состояние ДНК и завершённость её удвоения. Такие проверки нужны, чтобы вовремя задержать деление и уменьшить риск передачи ошибок дочерним клеткам.

Как это устроено

Цикл начинается, когда при делении материнской клетки образуется новая клетка. Затем клетка проходит этапы роста и подготовки, а в конце либо делится сама, либо выходит из цикла; некоторые клетки могут погибнуть. Продолжительность пути различается, потому что клетки выполняют разные задачи и реагируют на условия, поэтому нельзя считать, что все клетки делятся с одинаковой скоростью.

Интерфаза делится на G₁-, S- и G₂-периоды, поскольку клетке важно выполнить подготовительные задачи последовательно. В G₁ она растёт, синтезирует вещества и поддерживает свою работу; в S удваивает ДНК; в G₂ проверяет и завершает подготовку к делению. Такое разделение позволяет клетке сначала накопить ресурсы, затем скопировать наследственный материал и только после этого переходить к его распределению.

Удвоение ДНК происходит в S-периоде, то есть до митоза. Благодаря копированию каждая хромосома перед делением представлена двумя сестринскими хроматидами — одинаковыми копиями ДНК, соединёнными друг с другом. Во время митоза хроматиды расходятся, и это даёт возможность передать дочерним клеткам полноценный наследственный материал.

В митотическую фазу сначала происходит митоз: хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. Затем обычно следует цитокинез — разделение цитоплазмы, в результате которого образуются две клетки. Эти этапы следуют друг за другом, потому что сначала нужно разделить наследственную информацию, а затем оформить две самостоятельные клетки.

Контрольные точки задерживают продвижение по циклу, если клетка ещё не готова. Например, цикл может остановиться при повреждении ДНК или если её удвоение не завершено. Такая задержка даёт клетке возможность исправить проблему и снижает вероятность того, что дочерние клетки получат ошибки в наследственном материале.

Периоды клеточного цикла и происходящие в них события

Содержание ДНК в таблице обозначено условно: C — исходное количество, а 2C — удвоенное. Число хромосом и количество ДНК — разные показатели, поэтому их важно проверять отдельно. Сопоставьте строки: так видно, как подготовка в интерфазе сменяется распределением наследственного материала и разделением клетки.

Разбор задач

Задача 1. Клетка завершила удвоение ДНК, но ещё не начала делиться. Определите, в каком периоде цикла она находится. Нужно различить момент копирования ДНК и время после него. Вопрос о периоде «после удвоения, но до деления» указывает на подготовку к митозу.

1. Удвоение ДНК происходит в S-периоде.
2. По условию этот этап уже завершён, значит, клетка вышла из S.
3. Перед митозом клетка проходит G₂-период, поэтому именно в нём она находится.

Ответ: клетка находится в G₂-периоде. Не следует отвечать «в S-периоде» только потому, что в условии упомянуто удвоение: оно уже завершилось. После G₂ клетка переходит к митотической фазе.

Задача 2. До S-периода в клетке было 2n хромосом и содержание ДНК C. Укажите число хромосом и содержание ДНК после S-периода. Здесь нужно следить за двумя показателями отдельно, потому что копирование ДНК не означает удвоение числа хромосом. Обозначение 2n задаёт число хромосом, а C — количество ДНК.

1. В S-периоде каждая молекула ДНК копируется.
2. Поэтому количество ДНК увеличивается с C до 2C.
3. Число хромосом обычно остаётся 2n, хотя каждая хромосома теперь состоит из двух сестринских хроматид.

Ответ: после S-периода в клетке 2n хромосом и 2C ДНК. Проверка проста: если в ответе число хромосом стало 4n только из-за удвоения ДНК, значит, смешаны два разных показателя. Две хроматиды одной хромосомы до их расхождения считают частями одной хромосомы.

Задача 3. У дочерних клеток обнаружено разное количество наследственного материала. Укажите, на каких этапах цикла могли возникнуть нарушения и почему. Чтобы рассуждать, проследите путь ДНК от её копирования до распределения по дочерним клеткам. Также нужно учесть, что контрольные точки проверяют готовность клетки к дальнейшим этапам.

1. В S-периоде могла произойти ошибка или ДНК могла удвоиться не полностью.
2. При митозе хромосомы могли неправильно распределиться между дочерними ядрами.
3. Если контрольные точки не задержали цикл при нарушении, клетка могла продолжить деление с ошибкой.

Ответ: возможные этапы нарушения — S-период, митоз и работа контрольных точек перед дальнейшим продвижением по циклу. В S-периоде важно правильно скопировать ДНК, а при митозе — верно разделить хромосомы. Контрольные точки снижают вероятность передачи ошибки, но не заменяют сами процессы копирования и распределения.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что во время всей интерфазы клетка делится или просто удваивается в размерах. Такое представление возникает из-за слова «между» в определении интерфазы, но в действительности это время роста, работы и подготовки, а не самого деления клетки. Проверьте себя: митоз и цитокинез происходят в митотическую фазу.
• Ошибка: утверждать, что в S-периоде удваивается число хромосом. Путаница появляется потому, что количество ДНК действительно становится вдвое больше, а каждая хромосома состоит из двух хроматид. Для проверки записывайте показатели отдельно: обычно число хромосом остаётся 2n, а количество ДНК возрастает с C до 2C.
• Ошибка: смешивать митоз и цитокинез. Их часто называют одним делением, хотя митоз делит ядро, а цитокинез разделяет цитоплазму и клетку. Проверьте формулировку: если речь о распределении хромосом между ядрами, это митоз; если об образовании двух клеток — цитокинез.
• Ошибка: считать длительность клеточного цикла одинаковой у всех клеток и предполагать, что он обязательно повторяется. Это заблуждение возникает, если воспринимать деление как обязательное для каждой клетки. Сверьте ответ с условиями: скорость зависит от типа клетки, а некоторые клетки выходят из цикла и не делятся регулярно.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в клеточном цикле, нужно знать строение клетки, роль ядра и ДНК, а также значения терминов «хромосома» и «сестринская хроматида». Эти понятия объясняют, что именно копируется в S-периоде и что распределяется при митозе. Без различения хромосомы и хроматиды легко ошибиться, отвечая на вопрос о числе хромосом.

Клеточный цикл связан с размножением клеток, ростом организма и восстановлением тканей: новые клетки образуются в результате деления. Сбой в управлении делением может привести к тому, что клетки продолжают размножаться неправильно; такие нарушения связаны, в частности, с развитием опухолей. Поэтому контроль цикла важен не только для передачи наследственного материала, но и для нормальной работы организма.

Что запомнить

• Клеточный цикл — путь клетки от её образования до следующего деления или гибели.
• Интерфаза состоит из G₁-, S- и G₂-периодов.
• В S-периоде происходит удвоение ДНК.
• Митоз обеспечивает распределение хромосом между дочерними ядрами.
• Цитокинез завершает разделение клетки.
• Контрольные точки помогают не допустить передачи клеткам ошибок.