§ 22. Клеточный цикл

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период существования клетки от её образования после деления до следующего деления или гибели. В него входят интерфаза и период деления. Это понятие помогает рассматривать рост клетки, копирование наследственного материала и образование новых клеток как последовательные процессы.

Интерфаза — часть клеточного цикла между делениями. В это время клетка растёт, выполняет свои функции и подготавливает вещества и структуры, необходимые для деления. Интерфаза нужна, чтобы клетка успела увеличить объём и скопировать ДНК до распределения наследственного материала.

Митоз — деление ядра, при котором хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. К началу митоза ДНК уже удвоена, поэтому каждая будущая клетка может получить свою копию наследственного материала. Митоз обеспечивает сохранение набора хромосом при делении.

Цитокинез — разделение цитоплазмы, в результате которого образуются две дочерние клетки. Он обычно следует за митозом, но не тождествен ему: митоз делит ядро, а цитокинез — клетку на две части. Вместе эти процессы завершают деление клетки.

Как это устроено

Клеточный цикл начинается с образования клетки, потому что именно с этого момента она существует как самостоятельная единица и проходит подготовку к возможному делению. Завершается цикл, когда клетка делится и возникают дочерние клетки, либо когда она выходит из цикла, например прекращает делиться или погибает. Такая последовательность связывает появление клетки с её дальнейшей судьбой. Не каждая клетка обязательно сразу переходит к новому делению.

В G1-периоде клетка увеличивается в размерах, синтезирует необходимые вещества и выполняет свои обычные функции. Затем в S-периоде происходит репликация — копирование ДНК: каждая молекула получает копию, а хромосомы состоят из двух сестринских хроматид. В G2-периоде клетка продолжает подготовку к делению и проверяет, достаточно ли ресурсов для него. Этапы идут именно в такой последовательности, чтобы наследственный материал был скопирован до его распределения.

Во время митоза копии хромосом отделяются и расходятся к противоположным сторонам клетки, после чего формируются два дочерних ядра. Так каждое ядро получает полный набор хромосом, а не случайную их часть. Затем цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование двух отдельных клеток. Митоз и цитокинез связаны, но выполняют разные задачи: первый делит ядро, второй — цитоплазму.

Точное копирование и равномерное распределение ДНК нужны, чтобы дочерние клетки получили одинаковую наследственную информацию. До репликации диплоидная клетка может содержать 2n хромосом и 2c ДНК; после S-периода у неё остаётся 2n хромосом, но уже 4c ДНК. Число хромосом считают по центромерам, поэтому две сестринские хроматиды до их разделения относятся к одной хромосоме. После митоза каждая дочерняя клетка получает по одной копии каждой хромосомы.

Переходы между этапами клеточного цикла контролируются: клетка должна быть готова к следующему шагу, например завершить копирование ДНК. Такая проверка снижает вероятность того, что повреждённый или неполный наследственный материал будет передан дочерним клеткам. Если контроль нарушается, клетка может делиться бесконтрольно. Подобное деление может привести к образованию опухоли.

Этапы клеточного цикла и их особенности

При чтении таблицы сначала проследите порядок этапов: три периода интерфазы идут перед митозом, а цитокинез завершает деление. Столбец о ДНК помогает не смешивать количество ДНК с числом хромосом. Обозначение c показывает количество ДНК, а n — число наборов хромосом.

Разбор задач

Задача 1. Расположите G1-период, S-период, G2-период и митоз в правильной последовательности. Нужно вспомнить, что клетка сначала растёт, затем копирует наследственный материал, после этого заканчивает подготовку и только потом делит ядро.

1. G1-период — клетка растёт и выполняет свои функции до репликации ДНК.
2. S-период — наследственный материал копируется, чтобы перед делением появились его две копии.
3. G2-период — клетка продолжает подготовку уже после удвоения ДНК.
4. Митоз — копии хромосом распределяются между дочерними ядрами.

Ответ: G1-период → S-период → G2-период → митоз. Важно отличать интерфазу, включающую G1, S и G2, от митоза — этапа деления ядра.

Задача 2. Перед удвоением ДНК в клетке 2n хромосом и 2c ДНК. Укажите число хромосом и количество ДНК после S-периода, до начала митоза. Здесь нужно отдельно проследить за центромерами и за количеством скопированной ДНК.

1. В S-периоде каждая молекула ДНК копируется, поэтому её общее количество становится вдвое больше.
2. Значение ДНК меняется с 2c на 4c.
3. Число центромер до начала митоза не меняется, поэтому число хромосом остаётся 2n.

Ответ: 2n хромосом и 4c ДНК. Каждая хромосома теперь содержит две сестринские хроматиды, но до их разделения считается одной хромосомой.

Задача 3. Клетка с 2n = 8 прошла митоз и цитокинез. Определите число хромосом в каждой дочерней клетке и объясните распределение наследственного материала. Поскольку митоз сохраняет число наборов, проверим, сколько копий каждой хромосомы получает каждая клетка.

1. До деления каждая хромосома была скопирована и состояла из двух сестринских хроматид.
2. Во время митоза сестринские хроматиды разошлись к противоположным сторонам клетки.
3. В каждое дочернее ядро попала по одной копии каждой из восьми хромосом.
4. Цитокинез разделил цитоплазму, и сформировались две отдельные клетки.

Ответ: в каждой дочерней клетке 8 хромосом. Обе клетки получают одинаковый набор, потому что копии хромосом распределяются между ядрами равномерно.

Типичные ошибки

• Считать, что клеточный цикл состоит только из митоза, — ошибка: тогда остаются без внимания рост и подготовка клетки. Её допускают, потому что именно деление заметнее, чем процессы интерфазы. Проверьте себя: включили ли вы в цикл G1-, S- и G2-периоды?

• Называть удвоение ДНК удвоением числа хромосом неверно: после копирования каждая хромосома содержит две хроматиды, но одну центромеру. Путаница возникает, если не различать молекулы ДНК, хроматиды и хромосомы. Для проверки сравните число центромер до и после S-периода: оно не изменилось.

• Смешивать митоз и цитокинез — значит приписывать делению ядра разделение цитоплазмы. Термины легко объединить, потому что оба процесса участвуют в образовании дочерних клеток. Проверьте себя вопросом: что именно разделяется — ядро или цитоплазма?

• Считать, что все клетки делятся с одинаковой скоростью, неправильно: длительность цикла и способность к делению зависят от типа клетки и условий. Ошибка появляется, если воспринимать клеточный цикл как одинаковое расписание для всех клеток. Чтобы проверить ответ, учитывайте, что одни клетки делятся активно, а другие могут надолго или постоянно выйти из цикла.

Связь с другими темами

Для изучения клеточного цикла пригодятся знания о строении хромосомы, ДНК, хроматидах и центромере, а также различие между диплоидным набором и количеством ДНК. Эта тема продолжает изучение митоза и показывает, как наследственная информация передаётся дочерним клеткам. Цикл связан с ростом и восстановлением тканей, а нарушения контроля деления — с образованием опухолей. Поэтому понимание его этапов помогает объяснить и нормальное размножение клеток, и последствия сбоев.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и период деления.
• Интерфаза состоит из G1-, S- и G2-периодов.
• В S-периоде происходит удвоение ДНК.
• Митоз обеспечивает распределение хромосом между дочерними ядрами.
• Цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование дочерних клеток.
• После нормального митоза дочерние клетки получают одинаковый набор хромосом.