§25. Клеточный цикл и его периоды

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период существования клетки от её образования в результате деления до следующего деления или гибели. В нём чередуются рост, удвоение ДНК и деление. Такое понятие позволяет описывать не отдельное событие, а весь путь клетки и последовательность изменений, необходимых для продолжения жизни клеточной линии.

Интерфаза — часть клеточного цикла между делениями. В это время клетка растёт, выполняет свои обычные функции и подготавливается к новому делению. Интерфаза нужна, чтобы клетка успела накопить вещества и скопировать наследственный материал до распределения его между дочерними клетками.

Митоз — деление ядра, при котором хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. Это не то же самое, что разделение всей клетки: митоз обеспечивает передачу наследственного материала, но сам по себе не разделяет цитоплазму. Поэтому его рассматривают отдельно от следующего за ним цитокинеза.

Цитокинез — разделение цитоплазмы и образование отдельных дочерних клеток после деления ядра. Он завершает деление клетки: каждое дочернее ядро оказывается в своей части цитоплазмы. Без цитокинеза обычно не образуются две самостоятельные клетки.

Как это устроено

Цикл отсчитывают от момента образования клетки, потому что именно тогда начинается её самостоятельное существование после предыдущего деления. Он завершается следующим делением, которое создаёт новые клетки, либо гибелью клетки. Поэтому границы цикла связаны с событиями, после которых меняется состав клеточной популяции: появлением клетки и её последующим разделением или прекращением существования.

Сначала идёт G1-период: клетка растёт, синтезирует нужные вещества и выполняет свои функции. Затем в S-периоде копируется ДНК, после чего G2-период позволяет завершить подготовку к делению. Такое разделение на этапы упорядочивает процессы: клетке нужно сначала обеспечить рост и работу, затем сохранить копию наследственной информации и только потом переходить к митозу.

Удвоение ДНК происходит до митоза, потому что при делении наследственный материал распределяется между двумя ядрами. Если бы копирования не было, дочерние клетки получили бы неполные наборы генетической информации. После S-периода каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид — одинаковых копий, соединённых в области центромеры; это позволяет распределить копии по разным ядрам.

Во время митоза сначала формируются два дочерних ядра с распределёнными хромосомами. Затем при цитокинезе разделяется цитоплазма и возникают две отдельные клетки. Последовательность важна: наследственный материал сначала должен оказаться в двух ядрах, чтобы при разделении цитоплазмы каждая будущая клетка получила своё ядро.

Длительность всего цикла и отдельных периодов неодинакова: она зависит от типа клетки и условий, например доступности ресурсов и сигналов организма. Некоторые клетки временно или надолго выходят из цикла в состояние покоя, не переходя к очередному делению. Это позволяет клеткам выполнять специализированные функции, а организму — регулировать, где и когда требуется рост или обновление тканей.

Периоды клеточного цикла и происходящие в них события

Сопоставляйте положение периода в цикле с процессом и результатом: так легче восстановить последовательность событий. Обозначение n показывает число наборов хромосом, а c — количество ДНК относительно исходного уровня до её удвоения. Следите за тем, что после S-периода меняется количество ДНК, но не число хромосом.

Разбор задач

Задача 1. Расположите события в правильной последовательности: удвоение ДНК, рост клетки после деления, разделение цитоплазмы, деление ядра. Чтобы не перепутать этапы, сначала соотнесём каждое событие с периодом цикла. Затем расположим периоды от начала интерфазы к завершению деления.

1. Рост клетки после деления происходит в G1-периоде, который открывает интерфазу.
2. Удвоение ДНК приходится на S-период и следует после G1.
3. После подготовки в G2 наступает митоз — деление ядра.
4. За митозом обычно следует цитокинез, то есть разделение цитоплазмы.

Ответ: рост клетки после деления → удвоение ДНК → деление ядра → разделение цитоплазмы. G2 находится между копированием ДНК и митозом, хотя в перечне событий его нет. Порядок показывает, что клетка сначала растёт и копирует наследственный материал, а затем распределяет его и разделяется.

Задача 2. В клетке завершилось удвоение ДНК, но деление ядра ещё не началось. Определите период цикла и назовите, что происходит далее. Нужно помнить, что S-период отвечает за копирование ДНК, а после него перед митозом есть ещё этап подготовки. Поэтому завершение репликации не означает, что митоз уже начался.

1. Удвоение ДНК происходит в S-периоде.
2. Когда оно завершено, клетка переходит в G2-период интерфазы.
3. В G2 клетка заканчивает подготовку к делению.
4. Следующим крупным этапом становится митоз, при котором хромосомы распределяются между дочерними ядрами.

Ответ: клетка находится в G2-периоде. Далее она завершает подготовку и приступает к митозу, после которого обычно происходит цитокинез. Такая последовательность объясняет, почему между копированием ДНК и делением ядра не происходит немедленного перехода к образованию дочерних клеток.

Задача 3. До удвоения ДНК клетка имела 2n хромосом и 2c ДНК. Укажите число хромосом и количество ДНК после S-периода и после завершения митоза и цитокинеза в каждой дочерней клетке. Важно отдельно учитывать число хромосом и количество ДНК: это связанные, но не одинаковые показатели. Для решения проследим, что происходит сначала с копиями ДНК, а затем с ними при делении.

1. До S-периода дана исходная величина: 2n хромосом и 2c ДНК.
2. В S-периоде ДНК удваивается, поэтому её становится 4c.
3. Каждая хромосома получает вторую хроматиду, но пока хроматиды соединены, число хромосом остаётся 2n.
4. При митозе копии расходятся к разным ядрам, а после цитокинеза каждая дочерняя клетка получает одну копию набора.

Ответ: после S-периода — 2n хромосом и 4c ДНК; после митоза и цитокинеза в каждой дочерней клетке — 2n хромосом и 2c ДНК. Итог соответствует исходному состоянию до удвоения. Это и есть смысл копирования ДНК перед делением: обеспечить каждую дочернюю клетку полным наследственным материалом.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что удвоение ДНК увеличивает число хромосом. Её допускают, потому что после S-периода материала становится больше и каждая хромосома содержит две хроматиды. Проверка: считайте хромосомой структуру с одной центромерой; пока сестринские хроматиды соединены, число остаётся прежним, а количество ДНК удваивается.

Ошибка — называть весь клеточный цикл митозом. Митоз заметен, потому что во время него ядро делится, но значительная часть цикла приходится на интерфазу. Проверяйте себя вопросом: включены ли в описываемый промежуток рост и копирование ДНК? Если да, речь идёт о цикле, а не только о митозе.

Ошибка — смешивать митоз и цитокинез. Их часто воспринимают как одно событие, потому что они обычно следуют друг за другом и вместе приводят к появлению двух клеток. Проверка проста: митоз распределяет хромосомы между ядрами, а цитокинез разделяет цитоплазму; это разные процессы.

Ошибка — считать длительность цикла одинаковой для всех клеток. Такое представление возникает, если воспринимать схему цикла как расписание с фиксированным временем. Сравнивая клетки, учитывайте их тип, состояние и условия; некоторые из них способны выходить из цикла в покой.

Связь с другими темами

Для понимания цикла нужны знания о строении хромосомы, ДНК, хроматиде и клеточном ядре. Эти понятия помогают проследить, что именно удваивается и как наследственный материал распределяется при делении. Тема понадобится при изучении митоза, мейоза, роста и развития организмов, а также передачи наследственной информации дочерним клеткам.

Регуляция клеточного цикла связана с тем, когда клетка начинает делиться и проходит ли она контроль подготовки. Нарушения этой регуляции могут привести к неправильному делению и накоплению клеток, которые организм не контролирует. Поэтому знание нормальной последовательности этапов помогает понять последствия сбоев и значение контроля деления.

Что запомнить

• Клеточный цикл начинается с образования клетки и продолжается до её следующего деления или гибели.
• Интерфаза включает периоды G1, S и G2.
• В S-периоде происходит удвоение ДНК.
• Митоз обеспечивает распределение хромосом между дочерними ядрами.
• Цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование дочерних клеток.
• Длительность клеточного цикла зависит от типа клетки и условий.