§ 23. Деление клетки. Митоз

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период жизни клетки от её возникновения до следующего деления или гибели. В него входят интерфаза, когда клетка растёт, удваивает ДНК и готовится к делению, и период самого деления. Это понятие помогает увидеть митоз не как отдельное событие, а как часть последовательных изменений клетки.

Митоз — способ деления ядра, при котором наследственный материал распределяется между двумя дочерними ядрами. Он состоит из нескольких стадий, на которых хромосомы упорядочиваются и расходятся к противоположным полюсам клетки. Митоз нужен, чтобы обе будущие клетки получили полный наследственный материал.

Сестринские хроматиды — две одинаковые копии хромосомы, появившиеся после удвоения ДНК и соединённые в области центромеры. До разделения они составляют одну двухроматидную хромосому, а число хромосом определяют по центромерам. Это различие необходимо, чтобы правильно считать хромосомы и хроматиды на разных стадиях.

Цитокинез — разделение цитоплазмы, которое завершает образование двух дочерних клеток. Оно происходит после разделения ядра или одновременно с завершающими событиями митоза. Без цитокинеза два ядра могли бы остаться внутри одной клетки, поэтому его отличают от митоза.

Как это устроено

Перед митозом клетка находится в интерфазе: растёт, синтезирует необходимые вещества и удваивает ДНК. Удвоение нужно, чтобы при последующем разделении каждая дочерняя клетка получила полный набор наследственной информации. Две копии пока соединены в области центромеры и считаются одной хромосомой, поэтому число хромосом не удваивается, хотя количество ДНК становится вдвое больше.

В профазе длинные тонкие нити ДНК уплотняются и становятся различимыми хромосомами. Такое уплотнение помогает перемещать наследственный материал, не спутывая его. Ядрышки исчезают, ядерная оболочка разрушается, а между полюсами клетки формируется веретено деления — система нитей, которая будет перемещать хромосомы. К концу стадии нити веретена получают доступ к хромосомам.

В метафазе двухроматидные хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Такое положение облегчает равномерное распределение копий между будущими ядрами. Нити веретена прикрепляются к области центромер, чтобы затем направить сестринские хроматиды к разным полюсам. Поэтому положение хромосом по экватору — характерный признак метафазы.

В анафазе связи между сестринскими хроматидами разрушаются, и нити веретена разводят их к противоположным полюсам. Это обеспечивает попадание одной копии каждой хромосомы в каждую будущую клетку. После разделения хроматида уже считается самостоятельной хромосомой, поскольку у неё своя центромера. В результате у полюсов оказываются равные наборы хромосом.

В телофазе вокруг каждого набора хромосом формируется ядерная оболочка, а ядрышки появляются снова. Хромосомы постепенно деспирализуются — становятся менее уплотнёнными, поэтому их уже не так хорошо видно. Затем цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование двух клеток. В обычном случае каждая дочерняя клетка получает тот же набор хромосом, что был у материнской до удвоения ДНК.

Изменения клетки в ходе митоза

Чтобы определить стадию, сначала обратите внимание на положение хромосом, а затем проверьте их состояние и устройство ядра. Выстраивание по экватору указывает на метафазу, расхождение к полюсам — на анафазу. Таблица также помогает проследить, как исчезнувшее в начале деления ядро появляется снова к его завершению.

Разбор задач

Задача 1. Расположите события в правильной последовательности: расхождение сестринских хроматид, выстраивание хромосом по экватору, образование двух ядер. Нужно определить, к каким стадиям относится каждое событие, и затем восстановить ход митоза. Сравниваем события с признаками метафазы, анафазы и телофазы.

1. Выстраивание хромосом по экватору происходит в метафазе, когда копии подготовлены к распределению.
2. Расхождение сестринских хроматид происходит в анафазе, следующей после метафазы.
3. Образование двух ядер относится к телофазе, которая наступает после расхождения хромосом.

Ответ: выстраивание по экватору → расхождение хроматид → образование двух ядер. Такой порядок следует из последовательности стадий: метафаза, анафаза, телофаза.

Задача 2. В клетке диплоидный набор 2n = 8. Сколько хромосом и хроматид будет в метафазе митоза? Условие важно читать точно: метафаза наступает после удвоения ДНК, но до расхождения копий. Поэтому нужно отдельно посчитать хромосомы по центромерам и хроматиды по отдельным копиям.

1. Запись 2n = 8 означает, что в клетке восемь хромосом.
2. К метафазе каждая из них уже удвоила ДНК и состоит из двух сестринских хроматид.
3. Число хромосом остаётся равным восьми, а число хроматид равно 8 × 2 = 16.

Ответ: в метафазе 8 хромосом и 16 хроматид. Если считать хромосомы по центромерам, соединённые копии дают одну хромосому, а не две.

Задача 3. Клетка с набором 2n = 12 прошла митоз и цитокинез. Сколько хромосом окажется в каждой дочерней клетке и почему? Здесь спрашивают результат после полного деления, а не число хроматид в метафазе. Следует проследить, как копии распределяются между двумя полюсами.

1. До митоза в исходной клетке было 12 хромосом; перед делением их ДНК удвоилась.
2. В анафазе сестринские хроматиды разделились, и по одной копии каждой хромосомы направилось к каждому полюсу.
3. В телофазе образовались два ядра, а цитокинез разделил клетку на две дочерние.

Ответ: в каждой дочерней клетке будет по 12 хромосом. Набор сохраняется, потому что копии распределяются поровну, а не потому, что одна клетка получает все хромосомы, а другая — остальные.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что после удвоения ДНК число хромосом удваивается. Так думают, потому что появляется вдвое больше молекул ДНК. Но две копии соединены центромерой и до анафазы составляют одну хромосому. Проверьте себя: посчитайте центромеры — их число и будет числом хромосом.

Ошибка: называть расходящиеся в анафазе структуры хроматидами. Это связано с тем, что до анафазы две копии называют сестринскими хроматидами. После разделения каждая копия имеет собственную центромеру и считается самостоятельной хромосомой. Проверка простая: если копии уже разошлись, употребляйте термин «хромосомы».

Ошибка: путать митоз с цитокинезом. Часто оба процесса объединяют под общим названием деления клетки, хотя они обозначают разные события. Митоз делит ядро, а цитокинез — цитоплазму; проверьте, о какой части клетки идёт речь в условии. После цитокинеза обычно получаются две отдельные клетки.

Ошибка: считать, что митоз уменьшает число хромосом вдвое. Так можно ошибочно решить, что митоз похож на мейоз. При митозе копии распределяются между двумя дочерними ядрами, поэтому обычно набор сохраняется. Сравните число хромосом до деления и в каждой дочерней клетке: оно должно совпадать.

Связь с другими темами

Для понимания митоза нужны знания о строении клетки, ядра, хромосомы и ДНК, а также о диплоидном наборе. Связь с интерфазой объясняет, откуда перед делением берутся сестринские хроматиды: ДНК удваивается заранее. Митоз помогает понять рост и восстановление тканей, а также бесполое размножение. Позже его можно сравнить с мейозом, при котором число хромосом уменьшается вдвое.

Что запомнить

• Митоз — деление ядра, а не всей клетки.
• Удвоение ДНК происходит до митоза, в интерфазе.
• После удвоения ДНК каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.
• В метафазе хромосомы располагаются по экватору клетки.
• В анафазе сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам.
• В результате митоза дочерние клетки обычно имеют тот же набор хромосом, что и материнская.
• Цитокинез завершает разделение клетки на две дочерние.