§ 14. Клеточный цикл

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период существования клетки от её образования после деления до следующего деления или гибели. Иначе говоря, это последовательность событий, через которые проходит клетка, пока живёт и готовится передать наследственную информацию. Понятие помогает описать не только само деление, но и весь промежуток между делениями.

Интерфаза — часть клеточного цикла между делениями, в которой клетка растёт, выполняет свои функции и готовится к делению. Она не является остановкой работы клетки: в это время идут важные процессы, в том числе удвоение ДНК. Знание термина помогает отличать подготовку к делению от самого деления.

Митоз — деление ядра, при котором хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. Благодаря такому распределению каждое ядро получает наследственный материал. Этот термин нужен, чтобы точно назвать процесс деления ядра, не смешивая его с разделением всей клетки.

Цитокинез — разделение цитоплазмы и образование двух дочерних клеток после деления ядра. Он завершает обычное деление клетки: дочерние ядра оказываются в отдельных клетках. Понимание этого термина помогает не называть разделение цитоплазмы митозом.

Как это устроено

Клеточный цикл начинается, когда после деления образуется новая клетка, и продолжается до её следующего деления или гибели. В цикле выделяют интерфазу и деление: сначала клетка должна накопить ресурсы и подготовить наследственный материал, а затем распределить его. Продолжительность цикла различается, потому что клетки выполняют разные задачи и живут в неодинаковых условиях. Например, клетке, которая редко делится, не нужно проходить цикл с той же частотой, что клетке активно обновляющейся ткани.

Интерфазу делят на G1-, S- и G2-периоды, чтобы обозначить последовательные задачи подготовки. В G1 клетка растёт и создаёт вещества, необходимые для её работы; затем в S-периоде копирует ДНК. После этого, в G2, клетка продолжает подготовку к делению, чтобы к началу митоза иметь нужные структуры и запас веществ. Значит, каждый период выполняет свою часть работы, а порядок снижает риск начать деление до готовности клетки.

Удвоение ДНК меняет строение каждой хромосомы, но не число хромосом. Теперь она состоит из двух одинаковых сестринских хроматид, которые соединены в области центромеры. Центромера удерживает их вместе до момента расхождения, поэтому две хроматиды пока считают одной хромосомой. Это различие важно: число хромосом считают по центромерам, а число хроматид показывает, сколько копий ДНК подготовлено.

Митоз обеспечивает точное распределение копий наследственного материала. Сначала хромосомы уплотняются, чтобы их было удобнее перемещать; затем они выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. После этого сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам, и к каждому полюсу направляется одинаковый набор. Вокруг этих наборов формируются новые ядра, поэтому дочерние ядра получают равные комплекты хромосом.

После митоза обычно следует цитокинез, чтобы разделить не только ядро, но и содержимое клетки. У животных клеток поверхность втягивается и образует перетяжку, которая разделяет цитоплазму. У растительных клеток жёсткая оболочка не позволяет разделиться таким способом, поэтому между дочерними клетками формируется клеточная пластинка. В результате возникают две дочерние клетки с отдельными ядрами.

Этапы клеточного цикла

В таблице сопоставлены главные этапы цикла, изменения ДНК и итог каждого этапа. При разборе задачи сначала найдите, о каком периоде идёт речь, затем проверьте, изменилось ли число хромосом или только количество ДНК. Так проще не спутать удвоение наследственного материала с его распределением.

Разбор задач

Задача 1. Расположите события клеточного цикла в правильном порядке: удвоение ДНК, расхождение сестринских хроматид, рост клетки, разделение цитоплазмы. Чтобы выстроить последовательность, соотнесём каждое событие с этапом цикла. Рост происходит в начале интерфазы, удвоение ДНК — позже, а разделение хроматид и цитоплазмы относятся к делению.

1. Рост клетки происходит в G1-периоде интерфазы, поэтому это первое событие из списка.
2. Удвоение ДНК происходит в S-периоде после начала роста.
3. Сестринские хроматиды расходятся во время митоза, а разделение цитоплазмы следует за ним.

Ответ: рост клетки → удвоение ДНК → расхождение сестринских хроматид → разделение цитоплазмы. Такая последовательность отражает подготовку клетки, распределение ДНК и завершение образования дочерних клеток.

Задача 2. В клетке перед удвоением ДНК было 12 хромосом. Сколько хромосом и хроматид будет после удвоения ДНК, но до начала митоза? Здесь нужно отдельно посчитать хромосомы и хроматиды, потому что копирование ДНК не разделяет хромосомы сразу на две. Пока сестринские хроматиды соединены, каждая пара считается одной хромосомой.

1. До удвоения имеется 12 хромосом, значит, после копирования ДНК число хромосом остаётся равным 12.
2. У каждой хромосомы после S-периода две сестринские хроматиды.
3. Умножаем 12 хромосом на 2 хроматиды в каждой: получаем 24 хроматиды.

Ответ: 12 хромосом и 24 хроматиды. Количество ДНК удвоилось, но хромосомы ещё не разошлись на дочерние наборы.

Задача 3. В соматической клетке организма 2n = 18. Определите число хромосом в каждом дочернем ядре после митоза и объясните, почему набор сохраняется. Обозначение 2n = 18 показывает число хромосом в исходном соматическом ядре. При подготовке каждая хромосома копируется, а во время митоза копии расходятся в разные стороны.

1. В исходной клетке 18 хромосом; после S-периода каждая состоит из двух сестринских хроматид.
2. Во время митоза хроматиды каждой пары расходятся к противоположным полюсам.
3. Каждый полюс получает по одной хроматиде от каждой исходной хромосомы; после формирования ядер каждая такая хроматида считается хромосомой.

Ответ: в каждом дочернем ядре будет по 18 хромосом. Набор сохраняется, потому что удвоенные копии распределяются поровну между двумя ядрами.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что в S-периоде удваивается число хромосом. Так думают, потому что ДНК действительно копируется, но две копии остаются соединёнными и считаются одной хромосомой. Проверь себя: посчитай центромеры — до расхождения хроматид их число не меняется.
• Ошибка: называть интерфазу периодом покоя. Такое впечатление может возникнуть, потому что клетка ещё не делится, однако она растёт, работает и готовит ДНК. Проверь себя: если в описании есть синтез веществ или копирование ДНК, клетка активно проходит интерфазу.
• Ошибка: называть цитокинез частью митоза. Эти процессы идут последовательно, поэтому их легко объединить в одно понятие, но митоз относится к делению ядра, а цитокинез — к разделению цитоплазмы. Проверь себя вопросом: разделяется ядро или вся клетка?
• Ошибка: считать, что все клетки делятся с одинаковой частотой. Это предположение не учитывает разные функции клеток и условия их жизни. Проверь себя: сравни длительность цикла и способность к делению у разных типов клеток; некоторые могут надолго или постоянно выйти из цикла.

Связь с другими темами

Для понимания клеточного цикла нужно знать строение клетки, роль ядра и хромосом, а также различать ДНК и хроматиду. Эти знания помогают проследить, что именно копируется и как наследственный материал распределяется при делении. Тема пригодится при изучении роста и развития организма, размножения клеток, мейоза и наследственности. Регуляция клеточного цикла связана и со здоровьем: её нарушения могут привести к неконтролируемому делению клеток и образованию опухолей.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и деление клетки.
• Интерфаза состоит из периодов G1, S и G2.
• В S-периоде удваивается ДНК.
• После удвоения ДНК каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.
• Митоз распределяет хромосомы между двумя дочерними ядрами.
• Цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование дочерних клеток.