§28. Жизненный цикл клетки

Определения и обозначения

Жизненный цикл клетки — период от её возникновения в результате деления до следующего деления или гибели. Такое определение задаёт границы существования клетки. Оно помогает проследить не отдельное событие, а последовательность роста, подготовки и размножения клетки.

Интерфаза — период жизненного цикла между делениями, включающий подготовку клетки к митозу. В это время клетка не бездействует: она растёт, синтезирует вещества и копирует ДНК. Интерфаза создаёт условия, при которых деление пройдёт правильно.

Митотический цикл — последовательность интерфазы и митоза, завершающаяся образованием двух дочерних клеток. Он показывает полный порядок событий от одного деления до следующего. Благодаря этому понятию можно связать подготовку клетки с самим разделением.

Митоз — деление ядра клетки, при котором дочерние клетки получают одинаковый набор хромосом. Сначала копии наследственного материала выстраиваются и разделяются, затем формируются два ядра. После цитокинеза, то есть разделения цитоплазмы, возникают две отдельные клетки.

Как это устроено

Жизненный цикл начинается с образования клетки, потому что именно в этот момент появляется самостоятельная клеточная система со своим набором наследственного материала. Далее клетка либо проходит подготовку к новому делению, либо специализируется и может погибнуть. Поэтому завершением цикла считают не только деление, но и гибель клетки, если она больше не продолжает существование.

Интерфаза нужна для роста и подготовки, поскольку деление требует энергии, веществ и исправной системы копирования ДНК. Клетка увеличивает объём, синтезирует белки и производит необходимые органоиды. Без такой подготовки дочерние клетки могли бы получить недостаточно цитоплазмы или компонентов для нормальной работы.

В G1-периоде клетка растёт и активно работает, в S-периоде копирует ДНК, а в G2-периоде проверяет готовность к делению. Удвоение происходит именно в S-периоде, потому что к началу митоза у каждой хромосомы должна быть точная копия. Если бы копирование происходило во время расхождения хромосом, наследственный материал распределялся бы неравномерно.

В профазе хроматин уплотняется в видимые хромосомы, исчезает ядрышко и начинает формироваться веретено деления. В метафазе хромосомы выстраиваются по экватору клетки, что позволяет прикрепить к ним нити веретена с двух сторон. Такое расположение подготавливает точное разделение копий.

В анафазе сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам клетки. В телофазе вокруг них формируются две ядерные оболочки, хромосомы разрыхляются, а затем цитокинез разделяет цитоплазму. Митоз сохраняет число хромосом, потому что каждая дочерняя клетка получает по одной одинаковой копии каждой хромосомы.

Этапы жизненного цикла клетки

В таблице показано, какие события происходят на каждом этапе и как меняется генетический материал. При решении задач сначала определите этап, затем отдельно посчитайте хромосомы и хроматиды. Это помогает не принять две хроматиды одной удвоенной хромосомы за две хромосомы.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определить, сколько хромосом и хроматид будет иметь клетка после удвоения ДНК, если до репликации в ней было 2n хромосом. Нужно учитывать, что репликация копирует ДНК, но не создаёт новые хромосомы. Поэтому после S-периода каждая исходная хромосома становится двухроматидной.

1. До репликации клетка имеет 2n хромосом, и каждая состоит из одной хроматиды.
2. В S-периоде ДНК каждой хромосомы удваивается.
3. Число хромосом остаётся 2n, поскольку центромера каждой хромосомы пока не разделилась.
4. Число хроматид становится 4n: по две на каждую из 2n хромосом.

Ответ: после удвоения ДНК клетка имеет 2n хромосом и 4n хроматид.

Задача 2

Условие: расположить события: удвоение ДНК, расхождение сестринских хроматид, образование веретена деления, восстановление ядерной оболочки. Ищем сначала событие интерфазы, затем процессы митоза по порядку. Такое распределение исключает перестановку событий разных фаз.

1. Удвоение ДНК происходит в S-периоде интерфазы.
2. Веретено деления формируется в профазе.
3. Сестринские хроматиды расходятся в анафазе.
4. Ядерная оболочка восстанавливается в телофазе.

Ответ: удвоение ДНК → образование веретена деления → расхождение сестринских хроматид → восстановление ядерной оболочки.

Задача 3

Условие: у вида 2n = 24 определить число хромосом и молекул ДНК в каждой дочерней клетке после митоза. Перед делением ДНК удваивается, но затем копии распределяются поровну. Поэтому для конечного ответа нужно считать материал уже в одной дочерней клетке, а не в исходной клетке перед митозом.

1. Исходная клетка имеет 24 хромосомы.
2. После репликации у неё 24 двухроматидные хромосомы, то есть 48 молекул ДНК.
3. В анафазе копии расходятся поровну к двум полюсам.
4. Каждая дочерняя клетка получает 24 хромосомы и по одной молекуле ДНК на хромосому.

Ответ: в каждой дочерней клетке будет 24 хромосомы и 24 молекулы ДНК.

Типичные ошибки

Интерфаза — период покоя. Так считают из-за того, что клетка ещё не делится, но в ней идут рост, синтез веществ и репликация ДНК. Проверка: вспомните три периода интерфазы и назовите процесс каждого.

Число хромосом равно числу хроматид. Ошибка возникает, когда две копии удвоенной хромосомы принимают за две хромосомы. Проверяйте наличие центромеры: до её разделения две сестринские хроматиды входят в состав одной хромосомы.

Митоз — только деление ядра. Такое представление забывает о цитокинезе, без которого цитоплазма не разделится между новыми ядрами. Проверка: в конце цикла должны образоваться две самостоятельные клетки, а не только два ядра.

После митоза набор хромосом уменьшается вдвое. Это характерно для мейоза, а митоз сохраняет исходный набор. Проверяйте ответ сравнением числа хромосом исходной и дочерней клеток.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать строение хромосомы и понятия хромосомы, хроматиды, ДНК, клеточного ядра и клеточного деления. Эти знания позволяют понять, что именно копируется и распределяется при митозе.

С генетикой жизненный цикл связан через сохранение кариотипа — характерного набора хромосом вида. Точное распределение хромосом объясняет передачу наследственной информации дочерним клеткам.

Дальше тема понадобится при изучении мейоза, размножения организмов, роста и регенерации тканей. Нарушения контроля деления связаны также с опухолевым ростом.

Что запомнить

• Жизненный цикл клетки включает период от её образования до следующего деления или гибели.
• Интерфаза состоит из G1-, S- и G2-периодов.
• В S-периоде происходит репликация ДНК.
• Митоз включает профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
• В анафазе сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам клетки.
• После митоза образуются две генетически сходные дочерние клетки.
• Митоз обеспечивает рост, регенерацию и бесполое размножение организмов.