Деление клетки

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период жизни клетки от её возникновения до следующего деления или гибели. В него входят интерфаза и собственно деление; после деления дочерние клетки могут начать новый цикл. Это понятие помогает проследить, когда клетка растёт, копирует наследственную информацию и распределяет её.

Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и подготавливается к делению. В это время удваивается ДНК, а также синтезируются вещества, нужные для дальнейшей работы. Интерфаза не является «покоем»: подготовка в ней нужна, чтобы деление прошло правильно.

Митоз — деление ядра, при котором образуются два генетически одинаковых ядра с тем же числом хромосом, что было в исходном ядре. Хромосома — упакованная молекула ДНК с белками, а её копии после удвоения называют сестринскими хроматидами. Митоз позволяет передать наследственную информацию новым клеткам при росте и обновлении тканей.

Мейоз — особый тип деления, при котором число хромосом уменьшается вдвое и образуются гаплоидные клетки, то есть клетки с одинарным набором хромосом. Он включает два последовательных деления после одного удвоения ДНК. Такой процесс нужен, чтобы при слиянии половых клеток восстановился обычный для вида набор.

Как это устроено

Клетка проходит цикл последовательно: сначала интерфазу, затем деление ядра и цитоплазмы. Интерфаза нужна не только для роста: клетка должна подготовить вещества и скопировать ДНК до начала распределения хромосом. После цитокинеза, то есть разделения цитоплазмы, дочерние клетки получают собственные части клетки и могут начать новый цикл.

ДНК удваивается в интерфазе, потому что при делении наследственный материал распределяется между двумя дочерними клетками. Если бы копии не было, каждая получила бы лишь часть исходной информации. После репликации каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединённых центромерой; поэтому число хромосом по центромерам пока остаётся прежним.

Митоз проходит через профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В профазе хромосомы уплотняются и становятся заметными, а ядерная оболочка разрушается; в метафазе они выстраиваются в середине клетки. Такое упорядоченное расположение помогает распределить копии без потери наследственного материала. В анафазе сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам, а в телофазе вокруг них формируются два ядра.

После разделения ядер обычно происходит цитокинез — разделение цитоплазмы и отделение дочерних клеток. Без него два ядра остались бы внутри одной клетки, поэтому цитокинез завершает деление клетки. При митозе обычно получаются две клетки, сохраняющие исходное число хромосом; мейоз, напротив, приводит к появлению клеток с половинным набором.

Мейоз состоит из мейоза I и мейоза II, причём между ними ДНК повторно не удваивается. В мейозе I гомологичные хромосомы — пары сходных по строению хромосом, полученных от родителей, — сближаются и затем расходятся к разным полюсам. Именно это разделение уменьшает набор вдвое. В мейозе II уже расходятся сестринские хроматиды, как при митозе, но число хромосом после первого деления не восстанавливается.

Сравнение митоза и мейоза

Сначала сравните число делений и набор хромосом: эти признаки помогают быстро отличить процессы. Затем обратите внимание на итоговые клетки и их роль в организме. Слова «обычно» учитывают, что результат зависит от типа организма и особенностей деления.

Разбор задач

Задача 1. В клетке перед митозом 2n = 8. Сколько хромосом будет в каждом дочернем ядре после деления? Нужно определить именно число хромосом, а не число молекул ДНК или хроматид. Митоз сохраняет набор исходной клетки.

1. Записываем исходное число: 2n = 8, значит в ядре восемь хромосом.
2. Учитываем, что перед митозом ДНК удваивается, но число хромосом по центромерам не меняется.
3. При митозе сестринские хроматиды расходятся поровну, поэтому каждое дочернее ядро получает полный исходный набор.

Ответ: в каждом дочернем ядре будет 8 хромосом.

Задача 2. У вида 2n = 12. Определить число хромосом в клетках после первого и второго делений мейоза. Здесь важно не считать первое и второе деления одинаковыми: в первом расходятся гомологичные хромосомы, во втором — хроматиды. Обозначение n показывает одинарный набор, равный половине 2n.

1. Исходная клетка диплоидная: 2n = 12, следовательно, n = 6.
2. После мейоза I гомологичные хромосомы расходятся по разным клеткам. В каждой остаётся по одной хромосоме из каждой пары, то есть 6 хромосом.
3. В мейозе II разделяются сестринские хроматиды. Каждая из образовавшихся клеток сохраняет гаплоидный набор из 6 хромосом.

Ответ: после первого деления — по 6 хромосом в каждой клетке; после второго — также по 6.

Задача 3. В схеме деления обнаружены сближение гомологичных хромосом и обмен участками между ними. Нужно определить тип деления и значение событий. Сближение пар и обмен участками характерны не для обычного митоза, а для особой стадии мейоза. Такой обмен меняет сочетания наследственных вариантов в хромосомах.

1. Сопоставляем признаки: гомологичные хромосомы сближаются в профазе I мейоза.
2. Обмен участками между ними называется кроссинговером.
3. После обмена возникают новые сочетания генов, поэтому клетки, полученные в результате мейоза, могут различаться по наследственной информации.

Ответ: это профаза I мейоза; кроссинговер способствует наследственной изменчивости.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что удвоение ДНК сразу удваивает число хромосом. Так думают, потому что после репликации у каждой хромосомы действительно две хроматиды. Проверка: посчитайте центромеры — пока они не разделились, число хромосом остаётся прежним.

Ошибка — путать хромосомы и хроматиды. Эти понятия легко смешать, поскольку до разделения хроматиды входят в состав одной удвоенной хромосомы. Проверяйте, что расходится: в митозе разделяются сестринские хроматиды, а в мейозе I — гомологичные хромосомы.

Ошибка — считать два деления мейоза одинаковыми. В обоих случаях клетка делится, но в мейозе I расходятся гомологичные хромосомы, а в мейозе II — хроматиды. Чтобы проверить себя, проследите за числом хромосом: оно уменьшается вдвое в первом делении и не меняется во втором.

Ошибка — называть клетки после мейоза генетически одинаковыми. Их различия возникают из-за кроссинговера и независимого расхождения хромосом, хотя исходная ДНК была удвоена заранее. При проверке ответа вспомните, что обмен участками и разные сочетания родительских хромосом дают новые варианты наследственного материала.

Связь с другими темами

Для понимания деления нужно знать строение хромосомы, роль ДНК и гена, а также различать диплоидный набор 2n и гаплоидный набор n. Мейоз объясняет образование гамет и то, почему после оплодотворения восстанавливается характерное для вида число хромосом. Митоз связан с ростом и восстановлением тканей, а закономерности деления помогают изучать наследственность и причины нарушений развития.

Что запомнить

• Перед делением клетка удваивает ДНК в интерфазе.
• Митоз сохраняет число хромосом и обычно образует две дочерние клетки.
• При митозе расходятся сестринские хроматиды.
• Мейоз включает два последовательных деления.
• В мейозе I расходятся гомологичные хромосомы, и число хромосом уменьшается вдвое.
• Кроссинговер и независимое расхождение хромосом создают наследственную изменчивость.