§ 21. Клеточный цикл

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период существования клетки от её образования до следующего деления или гибели. Он включает подготовку клетки и само деление, если оно происходит. Это понятие помогает видеть весь путь клетки, а не только момент разделения.

Интерфаза — часть клеточного цикла между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и готовится к новому делению. В это время она не бездействует: накапливает необходимые вещества и копирует ДНК. Интерфаза нужна, чтобы к делению клетка подошла подготовленной.

Митоз — деление ядра, при котором наследственный материал распределяется между двумя дочерними ядрами. Его результатом становятся ядра с одинаковым набором хромосом. Митоз нужен для точной передачи наследственной информации дочерним клеткам.

Цитокинез — разделение цитоплазмы, завершающее образование двух дочерних клеток. После деления ядра цитоплазма и клеточные структуры должны оказаться в отдельных клетках. Поэтому цитокинез завершает деление клетки, но не является самим митозом.

Как это устроено

Клеточный цикл начинается, когда образуется новая клетка, и заканчивается её следующим делением или гибелью. В обычном случае между этими событиями клетка проходит интерфазу, а затем делится. Подготовка необходима, потому что клетке нужно вырасти, накопить ресурсы и скопировать наследственный материал до его распределения. Продолжительность цикла различается: она зависит от особенностей клетки и условий, в которых та находится.

В пресинтетический период клетка растёт, производит вещества и выполняет свои обычные функции. При этом ей требуется увеличить количество компонентов, чтобы после деления обе дочерние клетки могли получить необходимые структуры. Копировать ДНК сразу клетка не начинает: сначала она готовится к этому процессу и проверяет, достаточно ли ресурсов. Так подготовка снижает риск того, что деление начнётся неподготовленным.

В синтетический период происходит удвоение ДНК — её копирование. После него каждая хромосома содержит две одинаковые хроматиды, соединённые друг с другом. Количество наследственного материала удваивается, но число хромосом остаётся прежним: соединённые хроматиды пока считаются одной хромосомой. Это различие важно, потому что число ДНК и число хромосом описывают не одно и то же.

В постсинтетический период клетка накапливает вещества и структуры, необходимые для митоза. К этому времени ДНК уже скопирована, поэтому клетке предстоит подготовить процессы, которые позволят разнести копии по разным ядрам. Подготовка нужна для согласованного деления ядра и последующего разделения цитоплазмы. Если клетка готова, начинается следующий этап — митоз.

Во время митоза хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. Это позволяет каждому ядру получить полный и одинаковый набор наследственной информации. Затем цитокинез разделяет цитоплазму, и возникают две отдельные дочерние клетки. В результате удвоенный ранее материал распределяется между ними, а клетки получают одинаковый набор хромосом.

Этапы клеточного цикла и происходящие в них изменения

Сначала определите, в каком периоде находится клетка, а затем проследите, меняется ли количество ДНК и что происходит с хромосомами. Таблица помогает не путать удвоение ДНК в интерфазе с распределением хромосом во время митоза. Цитокинез выделен отдельно, потому что он разделяет цитоплазму, а не ядро.

Разбор задач

Задача 1. Интерфаза клетки длится 18 часов, а митоз — 2 часа. Определите продолжительность клеточного цикла. Нужно учесть, что цикл в условии состоит из указанных периодов и что их длительности складываются. Искомое время включает и подготовку, и деление.

1. Записываем длительность интерфазы: 18 часов.
2. Записываем длительность митоза: 2 часа.
3. Складываем периоды: 18 + 2 = 20 часов.

Ответ: продолжительность клеточного цикла — 20 часов.

Задача 2. В исходной клетке содержится 2C ДНК. Сколько ДНК будет после завершения синтетического периода, но до митоза? Обозначение C показывает количество ДНК в условии, а не число хромосом. В синтетический период каждая молекула ДНК копируется, поэтому общий объём ДНК становится вдвое больше.

1. Определяем исходное количество ДНК: 2C.
2. Учитываем удвоение ДНК в синтетическом периоде: 2 × 2C = 4C.
3. Проверяем, что речь идёт о количестве ДНК: число хромосом при этом не удваивается.

Ответ: до митоза в клетке будет 4C ДНК.

Задача 3. До деления в клетке обнаружено 4C ДНК, после завершения деления в каждой дочерней клетке — 2C. Объясните изменения. Количество ДНК увеличилось до деления, а затем оказалось разделено между двумя клетками. Чтобы понять результат, нужно связать копирование ДНК, распределение хромосом и разделение цитоплазмы.

1. В синтетический период интерфазы ДНК удвоилась, поэтому клетка получила 4C.
2. Во время митоза хромосомы распределились между двумя дочерними ядрами, чтобы каждое получило одинаковый наследственный материал.
3. При цитокинезе разделилась цитоплазма, и сформировались две клетки; каждой досталось по 2C ДНК.

Ответ: удвоение ДНК обеспечило копии наследственного материала, митоз распределил их между ядрами, а цитокинез разделил клетку на две дочерние.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что число хромосом удваивается вместе с ДНК. Такую путаницу вызывает то, что после копирования у каждой хромосомы появляются две хроматиды. Но до их разделения хроматиды соединены и считаются одной хромосомой. Проверь себя: если спрашивают число хромосом сразу после синтетического периода, оно не изменилось.

Ошибка: относить удвоение ДНК к митозу. Митоз заметен как этап деления, поэтому его иногда связывают со всеми изменениями наследственного материала. Однако копирование ДНК происходит раньше, в синтетический период интерфазы. Чтобы проверить ответ, расположи события по порядку: сначала интерфаза и удвоение, затем митоз и распределение.

Ошибка: считать митоз и цитокинез одним процессом. Они идут последовательно, поэтому их легко объединить в общее понятие «деление клетки». На самом деле митоз делит ядро, а цитокинез — цитоплазму. Проверка проста: спроси себя, какая именно часть клетки разделяется на каждом этапе.

Ошибка: полагать, что у всех клеток одинаковая продолжительность цикла. Иногда школьную схему принимают за одинаковое расписание для каждой клетки. Но длительность зависит от типа клетки и условий, а некоторые клетки делятся редко или теряют способность к делению. Проверяя задачу, используй только данные о конкретной клетке, а не универсальное время цикла.

Связь с другими темами

Для понимания клеточного цикла нужно знать строение хромосомы и различать ДНК, хромосому и хроматиду. Особенно полезно помнить: две соединённые хроматиды — это одна хромосома, хотя ДНК в ней уже удвоена. Эта тема подготавливает к изучению митоза и мейоза, где важно проследить судьбу хромосом. Она также помогает понять размножение клеток и передачу наследственной информации новым клеткам.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и деление клетки.
• Интерфаза состоит из пресинтетического, синтетического и постсинтетического периодов.
• ДНК удваивается в синтетическом периоде интерфазы.
• После удвоения ДНК число хромосом не меняется, но каждая хромосома состоит из двух хроматид.
• Митоз обеспечивает распределение хромосом между дочерними ядрами.
• Цитокинез завершает образование двух дочерних клеток.