§ 35. Клеточный цикл

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период жизни клетки от её образования после деления до следующего деления или гибели. Его продолжительность зависит от типа клетки и условий: например, клеткам, которым нужно часто обновлять ткань, делиться приходится чаще. Это понятие помогает описать не только само деление, но и подготовку к нему.

Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и готовится к следующему делению. Она занимает значительную часть цикла, потому что клетке нужно накопить вещества и удвоить наследственный материал. Поэтому интерфазу нельзя считать промежутком без активности.

Митотический цикл — последовательность событий от начала одной митотической фазы до начала следующей. Он включает интерфазу и митоз: в интерфазе клетка готовится, а при митозе распределяет хромосомы между дочерними ядрами. Термин позволяет рассматривать подготовку и деление как единый повторяющийся процесс.

Контрольные точки клеточного цикла — этапы, на которых клетка проверяет готовность перейти к следующей фазе и состояние наследственного материала. Если обнаружена неготовность или повреждение ДНК, переход может быть задержан. Такая проверка нужна, чтобы не передать дочерним клеткам неисправный или неполный генетический материал.

Как это устроено

Цикл начинается, когда после деления образуется дочерняя клетка. Дальше она может расти, подготовиться к очередному делению или выйти из активного цикла; иногда жизнь клетки заканчивается гибелью. Длительность у клеток различается, потому что их функции и потребность в обновлении неодинаковы, а условия среды влияют на скорость обмена веществ и готовность к делению.

Интерфаза состоит из периодов G₁, S и G₂. В G₁ клетка увеличивается, синтезирует вещества и выполняет свои обычные функции; в S копирует ДНК; в G₂ завершает подготовку и проверяет, можно ли начинать митоз. Такая последовательность нужна, чтобы к делению клетка подошла с достаточным количеством компонентов и полным набором наследственной информации.

В периоде S удваивается количество ДНК, но не число хромосом. Каждая хромосома после копирования состоит из двух одинаковых сестринских хроматид, соединённых в области центромеры. Поэтому важно различать число хромосом и количество ДНК: хромосома пока остаётся одной, хотя её наследственный материал скопирован.

После интерфазы начинается митоз: хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. Это обеспечивает каждой будущей клетке набор наследственной информации, соответствующий исходной клетке. Затем цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование дочерних клеток; без него разделение ядер не означало бы полного разделения клетки.

Некоторые клетки временно или надолго выходят из активного цикла в состояние G₀. В это время они продолжают выполнять свои функции, но не готовятся к немедленному делению. Выход часто связан со специализацией: клетка становится приспособленной к определённой работе, а её способность вернуться к делению зависит от типа клетки и сигналов организма.

Периоды клеточного цикла

Читайте таблицу сверху вниз, чтобы проследить обычную последовательность подготовки и деления. При сравнении периодов обращайте внимание, что меняется именно в количестве ДНК, а что — в числе хромосом. G₀ стоит рассматривать отдельно: это состояние вне активного цикла, а не обязательный этап перед митозом.

Разбор задач

Задача 1. В клетке диплоидный набор 2n = 6. Определите число хромосом и хроматид после завершения периода S. Нужно не смешивать две величины: число хромосом определяют по центромерам, а число хроматид показывает, сколько копий ДНК содержится в хромосомах. Решение:

1. До копирования в клетке 6 хромосом.
2. В периоде S каждая хромосома копируется и становится двухроматидной.
3. Число хромосом остаётся 6, а хроматид становится 6 × 2 = 12.

Ответ: 6 хромосом и 12 хроматид. После расхождения сестринских хроматид в митозе они будут учитываться как самостоятельные хромосомы в дочерних ядрах.

Задача 2. До репликации в клетке содержится 8 условных единиц ДНК. Сколько ДНК будет после периода S и после митоза в каждом дочернем ядре? Сначала нужно проследить удвоение в одной клетке, а затем учесть равное распределение копий при делении. Решение:

1. В периоде S количество ДНК удваивается: 8 × 2 = 16 единиц.
2. При митозе копии распределяются между двумя дочерними ядрами поровну.
3. В каждом ядре окажется 16 ÷ 2 = 8 единиц ДНК.

Ответ: после S — 16 условных единиц, после митоза — по 8 единиц в каждом дочернем ядре. Равное распределение сохраняет исходное количество ДНК для каждой дочерней клетки.

Задача 3. После удвоения ДНК у клетки обнаружено повреждение. Почему она может не перейти к митозу и что произойдёт, если задержка не сработает? Здесь нужно связать контроль цикла с точностью передачи наследственного материала. Решение:

1. Перед переходом к митозу контрольная точка помогает проверить состояние ДНК.
2. При обнаружении повреждения клетка может задержать цикл, чтобы устранить его или не допустить деления с неисправной ДНК.
3. Если проверка нарушена, ошибка может попасть в дочерние клетки и сохраниться при последующих делениях.

Ответ: клетка может остановить цикл до исправления повреждения. При нарушении такой задержки возрастает риск передачи ошибок дочерним клеткам, что может привести к сбоям в их работе.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что в периоде S удваивается число хромосом. Обычно её допускают, потому что копирование ДНК принимают за появление новых хромосом. Проверьте себя: до расхождения сестринских хроматид хромосома остаётся одной, но становится двухроматидной.

Ошибка: отождествлять клеточный цикл только с митозом. Так происходит, если в центре внимания оказывается видимое деление ядра, а подготовка клетки остаётся незамеченной. Проверьте, включили ли вы в цикл интерфазу и, как правило, цитокинез.

Ошибка: считать интерфазу периодом покоя. Такое представление возникает из-за того, что хромосомы не расходятся по ядрам, как при митозе. Но клетка активно растёт, обменивается веществами, копирует ДНК и готовится к делению; эти процессы помогают ей понять, чем заполнена интерфаза.

Ошибка: считать, что все клетки регулярно делятся. Часто цикл клетки представляют как обязательный для каждой клетки повторяющийся круг. Сверьте это с состоянием G₀: многие специализированные клетки временно или надолго выходят из активного цикла и могут не возвращаться к делению.

Связь с другими темами

Для понимания цикла нужно знать строение клетки, ДНК и хромосом, а также различать хромосому и хроматиду. Удвоение ДНК в периоде S связано с передачей наследственной информации: копии должны попасть в дочерние ядра. Знание последовательности этапов помогает разбирать митоз, рост и регенерацию тканей. Сбой контроля деления важен и для понимания опухолевых заболеваний, при которых клетки могут размножаться неконтролируемо.

Что запомнить

• Клеточный цикл — жизнь клетки от одного деления до следующего или до её гибели.
• Интерфаза включает периоды G₁, S и G₂.
• В периоде S удваивается ДНК, но число хромосом не меняется.
• Митоз распределяет хромосомы между дочерними ядрами.
• Цитокинез разделяет цитоплазму и завершает деление клетки.
• Контрольные точки задерживают цикл при повреждениях или неготовности клетки.
• G₀ — состояние вне активного цикла деления.