Жизненный цикл клетки. Митотический цикл

Определения и обозначения

Клеточный цикл — период существования клетки от её образования после деления до следующего деления или гибели; он включает интерфазу и деление. Это понятие помогает описать не отдельный этап, а весь путь клетки, на котором она растёт, копирует наследственный материал и распределяет его.

Митотический цикл — последовательность событий от одного деления клетки до следующего, включающая интерфазу и митоз. Его выделяют, когда нужно проследить, как клетка подготавливается к делению ядра и затем проходит его.

Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт, выполняет свои функции и готовится к делению. Она нужна не только для увеличения клетки: в это время накапливаются вещества и копируется ДНК, без чего равномерно передать наследственный материал было бы невозможно.

Митоз — деление ядра, при котором хромосомы распределяются между двумя дочерними ядрами. Благодаря этому каждое ядро получает набор хромосом, необходимый для дальнейшей работы клетки.

Как это устроено

Клеточный цикл отсчитывают от завершения одного деления до завершения следующего, потому что именно в этих точках клетка завершает один цикл существования и передаёт начало следующего дочерним клеткам. Продолжительность цикла зависит от типа клетки и условий, например доступности питательных веществ. Некоторые клетки после деления выходят из цикла и долго не делятся, а другие способны регулярно повторять его.

Интерфазу разделяют на G1-, S- и G2-периоды, чтобы упорядочить подготовку клетки к делению. В G1 клетка растёт, выполняет обычные функции и накапливает вещества; затем в S-периоде копирует ДНК. В G2 клетка завершает подготовку и проверяет, готов ли материал к распределению, поэтому каждый этап создаёт условия для следующего.

После удвоения ДНК каждая хромосома состоит из двух одинаковых сестринских хроматид, соединённых в области центромеры. Хромосомы считают по числу центромер, поэтому до разделения хроматид их число не удваивается. При этом количество ДНК становится вдвое больше: каждая из двух хроматид содержит копию молекулы ДНК.

В митозе хромосомы уплотняются, чтобы их можно было перемещать и распределять, затем выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. После этого сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам, обеспечивая каждой стороне равный набор. В конце митоза вокруг наборов хромосом формируются два дочерних ядра.

После деления ядра цитокинез разделяет цитоплазму и завершает образование двух дочерних клеток. Без этого процесса ядра уже были бы разделены, но клетка оставалась бы общей. Контрольные механизмы цикла задерживают деление, если ДНК повреждена или скопирована с ошибками: так клетка получает время для проверки и возможного исправления нарушений.

Этапы клеточного и митотического циклов

Используйте таблицу как последовательность подготовки и распределения наследственного материала: от роста и копирования ДНК до разделения клетки. Чтобы определить состояние хромосом, учитывайте, завершилась ли репликация и разошлись ли хроматиды. Число хромосом и количество молекул ДНК — разные показатели.

Разбор задач

Задача 1. Клетка растёт, её ДНК ещё не удвоена, а до деления остаётся время. Определите этап цикла.

1. Сначала проверим, произошло ли копирование ДНК: по условию оно ещё не началось. Значит, это не S-период и не G2, который следует за копированием.

2. Клетка растёт и готовится к дальнейшим событиям цикла. Такое сочетание признаков соответствует начальному периоду интерфазы, когда клетка увеличивается и накапливает вещества.

Ответ: G1-период.

Задача 2. В диплоидной клетке 2n = 6. Сколько хромосом и молекул ДНК будет после завершения S-периода, но до начала митоза?

1. Обозначение 2n = 6 сообщает, что в клетке шесть хромосом. Во время S-периода копируется ДНК, а не увеличивается число центромер.

2. После копирования у каждой хромосомы две сестринские хроматиды, и в каждой находится молекула ДНК. Поэтому шести хромосомам соответствуют двенадцать молекул ДНК.

Ответ: 6 хромосом и 12 молекул ДНК.

Задача 3. В клетке 2n = 4 завершилась анафаза митоза. Сколько хромосом находится у каждого полюса и сколько будет в каждом дочернем ядре после деления?

1. До митоза в клетке было четыре хромосомы, а после S-периода каждая состояла из двух хроматид. В анафазе эти хроматиды отделяются, и каждая становится самостоятельной хромосомой.

2. К полюсам расходятся равные наборы: по одной хроматиде от каждой исходной хромосомы. Поэтому у каждого полюса оказывается по четыре хромосомы, а после телофазы такой же набор будет в каждом дочернем ядре.

Ответ: по 4 хромосомы у каждого полюса и по 4 хромосомы в каждом дочернем ядре.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что в S-периоде удваивается число хромосом. Путают число хромосом с количеством ДНК, потому что оба показателя связаны с наследственным материалом. Проверьте себя: до расхождения хроматид у каждой хромосомы одна центромера, значит число хромосом не изменилось.

Ошибка: называть клеточным циклом только митоз. Митоз заметен как последовательность изменений, поэтому им легко подменить весь цикл. Чтобы проверить ответ, вспомните, что до митоза есть интерфаза, а после деления ядра происходят цитокинез и новый период интерфазы.

Ошибка: считать цитокинез этапом деления ядра. Причина путаницы — оба процесса участвуют в общем завершении деления клетки, но происходят с разными частями клетки. Проверьте себя вопросом: что разделяется? При митозе разделяется генетический материал ядра, при цитокинезе — цитоплазма.

Ошибка: путать метафазу с анафазой. В обоих случаях хромосомы находятся в движении деления, но в метафазе они выстроены на экваторе, а в анафазе хроматиды расходятся к полюсам. Проверьте этап по действию: «выстроены» — метафаза, «расходятся» — анафаза.

Связь с другими темами

Чтобы понять клеточный цикл, нужно знать строение хромосомы, роль ДНК и различие между хромосомой и хроматидой. Эти знания помогают не смешивать число хромосом с количеством ДНК при её удвоении. Тема пригодится при изучении наследственности, размножения клеток и развития организма: передача генетического материала лежит в основе этих процессов. Нарушения контроля деления связаны также с опухолевым ростом.

Что запомнить

• Клеточный цикл включает интерфазу и деление клетки.
• Интерфаза состоит из G1-, S- и G2-периодов.
• В S-периоде происходит удвоение ДНК.
• После репликации каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.
• Митоз обеспечивает распределение хромосом между дочерними ядрами.
• Цитокинез разделяет цитоплазму и завершает деление клетки.