Клеточный и митотический циклы

Клеточный (жизненный) цикл – это период в жизнедеятельности клетки от момента ее появления до гибели или образования дочерних клеток. Митотический цикл - это период в жизнедеятельности клетки от момента ее образования и до разделения на дочерние клетки. Митотический цикл включает интерфазу и митоз (рис. 5).

Интерфаза состоит из трех периодов:

· пресинтетического (постмитотического) G_1;

· синтетического S

· постсинтетического (премитотического) – G₂.

Содержание генетической информации в клетке обозначают следующим образом: п – набор хромосом, хр – число хроматид в одной хромосоме, с – число молекул ДНК.

Образовавшаяся после митоза клетка содержит диплоидный набор хромосом и удвоенное число молекул ДНК. Каждая хромосома имеет одну хроматиду – 2п1хр2с. Такая клетка вступает в пресинтетический период (G₁) интерфазы, продолжительность которого колеблется от нескольких часов до нескольких месяцев и даже лет. В этот период клетка выполняет свои функции, увеличивается в размерах, в ней идет синтез белков и нуклеотидов, накапливается энергия в виде АТФ.

В синтетический период (S) происходит репликация молекул ДНК и ее содержание в клетке удваивается, т.е. каждая хроматида достраивает себе подобную, и генетическая информация к концу этого периода становится 2п2хр4с. Одновременно в клетке идут обменные процессы и она продолжает выполнять свои функции. Длительность этого периода 6-8 ч.

В постсинтетический период (G₂) клетка готовится к митозу: накапливается энергия, синтезируются белки ахроматинового веретена.

Постепенно затухают все синтетические процессы, необходимые для репродукции органоидов, меняется вязкость цитоплазмы ипрекращается выполнение клеткой основных функций. Содержание генетической информации не изменяется (2п2хр4с). Клетка вступает в митоз.

Митоз

Митоз – это основной способ размножения соматических клеток. Непрерывный процесс митоза подразделяют на 4 стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 5).

В стадии профазы происходит увеличение объема ядра, спирализация хроматиновых нитей, расхождение центриолей к полюсам клетки и формирование веретена деления. К концу профазы фрагментируются ядрышки и ядерная оболочка, хромосомы выходят в цитоплазму и устремляются к центру клетки. В конце профазы к центромерам хромосом прикрепляются нити веретена деления. Содержание генетического материала при этом не изменяется (2п2хр4с)

Рис. 5. Схема митоза в клетках корешка лука:

1 – интерфаза; 2 – профаза; 3 – метафаза; 4 – анафаза; 5 – телофаза; 6 – дочерние клетки

Метафаза – самая короткая фаза, когда хромосомы располагаются на экваторе клетки. В этой стадии достигается наибольшая спирализация хромосом. Содержание генетического материала остается прежним.

В стадии анафазы происходит продольное разделение хроматид в области центромеры. Нити веретена деления сокращаются, и хроматиды (дочерние хромосомы) расходятся к полюсам клетки. Содержание генетической информации становится 2п1хр2с у каждого полюса.

В стадии телофазы формируются ядра дочерних клеток: хромосомы деспирализуются, строятся ядерные оболочки, в ядре появляются ядрышки.

Митоз заканчивается цитокинезом – делением цитоплазмы материнской клетки. В конечном итоге образуются две дочерние клетки, каждая из которых имеет 2п хромосом, одну хроматиду в хромосоме и – наборов ДНК.

Основное значение митоза заключается в поддержании постоянства числа хромосом, обусловленном точным распределением генетической информации между дочерними клетками.

Разновидностями митоза являются эндомитоз, политения и мейоз. При эндомитозе происходит удвоение хромосом без деления ядра, что приводит к образованию полиплоидных клеток. При политении наблюдается многократное удвоение хроматид, но они не расходятся, и в результате образуются политенные (многохроматидные, гигантские) хромосомы, например в слюнных железах мухи дрозофилы.

Эукариотические клетки могут размножаться амитозом – это прямое деление клеток и ядер, находящихся в условиях физиологической и репаративной регенерации, либо опухолевых клеток. Типичный амитоз начинается с образования перетяжки ядра, затем цитоплазмы, и далее они делятся на две части. Установлено, что и при амитозе происходит равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками.

Различные факторы внешней среды могут нарушать процесс митоза и приводить к появлению аномальных клеток. Выделяют три типа нарушений митоза:

1. Изменение структуры хромосом. При этом возможно появление разрывов хромосом, наличие отдельных мелких хромосомных фрагментов. Подобная патология возникает под действием радиации, некоторых химических веществ, вирусов, а также в раковых клетках. В некоторых случаях отдельные хромосомы могут отстать от других в анафазе и попасть не в свою клетку. Это приводит к изменению количества хромосом в дочерних клетках, т.е. к анеуплоидии.

2. Повреждение веретена деления. Это нарушает его функцию распределения хромосом между дочерними клетками. В результате возможно появление клеток, содержащих значительный избыток хромосом (например, 92). Подобное действие характерно для многих противоопухолевых препаратов. Таким образом тормозится деление клеток опухолей.

3. Нарушение цитотомии, т.е. отсутствие деления цитоплазмы клетки в периоде телофазы. Вследствие этого образуются двуядерные клетки.

Патология митоза может приводить к появлению мозаицизма. В этом случае в одном организме обнаруживают клоны клеток с разным набором хромосом (например, часть клеток у человека содержит 46 хромосом, в то время как другие – 47). Мозаицизм формируется на ранних стадиях дробления зародышевых клеток.

Мейоз

Мейоз – это деление соматических клеток половых желез, в результате которого образуются половые клетки – гаметы. Мейотическое деление протекает в два этапа – мейоз – I и мейоз – II. Каждое мейотическое деление, так же как и митотическое, подразделяют на 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 6.)

Рис. 6. Схема мейоза (показана одна пара гомологичных хромосом):

мейоз - I: 1 – лептотена; 2 – зиготена; 3 – пахитена; 4 – диплотена; 5 – диакинез;

6 – метафаза; 7 – анафаза; 8 – телофаза; 9 – интеркинез; мейоз - II: 10 – метафаза;

11 – анафаза; 12 – дочерние клетки

Наиболее сложной является профаза мейоза – I. Она подразделяется на 5 стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез. Хроматиновые нити спирализуются, утолщаются, укорачиваются и на стадии лептотены становятся различимы под микроскопом. Нитевидные гомологичные хромосомы начинают движение друг к другу центромерными участками. Содержание генетического материала составляет 2п2хр4с.

На стадии зиготены начинается конъюгация – попарное соединение гомологичных хромосом. Содержание генетического материала не изменяется: 2п2хр4с.

Рис. 7. Схема бивалента на стадии диплотены: 1 - хроматида; 2 - хиазмы; 3 – центромеры

На стадии похитены гомологичные хромосомы тесно соприкасаются по всей длине, образуя биваленты. Бивалент – это пара гомологичных хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид, т.е. в биваленте содержится 4 хроматиды (отсюда другое название бивалентов - тетрады).

Число бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом – 1п. К концу этого периода начинают действовать силы отталкивания в области центромер и становится заметным, что каждая хромосома состоит из 2 хроматид. Конъюгирующие хромосомы могут обмениваться участками хроматид – происходит кроссинговер (рис. 7). Содержание генетического материала не изменяется.

На стадии диплотены между конъюгирующими гомологичными хромосомами продолжают действовать силы отталкивания, в результате чего хроматиды начинают расходиться, оставаясь соединенными в участках перекрестов – хиазм. Расхождение хроматид увеличивается, а хиазмы постепенно смещаются к их концам. Содержание генетического материала остается прежним.

На стадии диакинеза завершается спирализация и укорочение хромосом. Биваленты, соединенные только своими концами, обособляются и располагаются по периферии ядра (табл. 1).

В результате мейоза-I происходит редукция (уменьшение вдвое) числа хромосом, откуда и название этого деления – редукционное.

После окончания мейоза-I наступает короткий промежуток – интеркинез, в течение которого не происходит репликации ДНК и удвоения хроматид.

Мейоз – II – эквационное деление – протекает по типу обычного митоза (табл. 2). Таким образом, в результате двух последовательных делений мейоза из одной диплоидной клетки образуются 4 гаплоидные.

Значение мейоза состоит: 1) в поддержании постоянства числа хромосом; 2) рекомбинации генетического материала, обусловленной кроссинговером и случайным расхождением к полюсам гомологичных хромосом и хроматид.

При нарушении нормального течения митоза или мейоза наблюдаются различные хромосомные и геномные мутации – делеции, дупликации, полиплоидии, анеуплоидии и др.

Таблица 2

Фаза мейоза	Процессы, происходящие в каждой фазе	Схема, показывающая процессы, происходящие в каждой фазе
Первое деление мейоза (редукционное или с уменьшением). Мейоз I
Профаза I(самая длительная и сложно организованная)	Включает в себя 5 стадий:
1. Лептотена (стадия тонких нитей), в которых хромосомы укорачиваются (спирализация); исчезает ядрышко, ядерная оболочка
2. Зиготена (стадия сливающихся нитей), в которой гомологичные хромосомы приближаются друг к другу и попарно конъюгируют (соединяются вместе), образуя биваленты (пары конъюгировавших гомологичных хромосом, или тетрады, – 4 хроматиды еще не различимые)
3. Пахитена (стадия толстых нитей), в которой гомологичные хромосомы в бивалентах частично отталкиваются друг от друга; в точках соединения между двумя из четырех имеющихся хроматид гомологичных хромосом происходит кроссинговер – обмен равными участками гомологичных хромосом (в результате разрывов и восстановлений), приводящий к перераспределению в них генов
4. Диплотена (стадия двойных нитей), в которой происходит взаимное отталкивание хромосом и образование хиазм (точек соединения гомологичных хромосом)
5. Диакинез (стадия обособления двойных нитей), в которой число хиазм уменьшается и биваленты становятся компактными
Метафаза I	Биваленты выстраиваются по экватору клетки (каждая гомологичная хромосома располагается сверху и снизу от экватора на одинаковом расстоянии). К центромере каждой хромосомы прикрепляется одна нить веретена деления
Анафаза I	Центромеры не делятся. Пары гомологичных хромосом разделяются. Целые хромосомы конкретной пары расходятся к разным полюсам клетки (нити веретена деления их растягивают). Каждая хромосома по-прежнему состоит из двух хроматид

Телофаза I	Хромосомы удлиняются (деспирализация) и вокруг них формируется ядерная оболочка. Нити веретена деления исчезают. Начинается движение цитоплазмы (у животных) или формирование клеточной стенки (у растений). Образуются дочерние клетки (п2с)
Интеркинез	Это интервал между первым и вторым делением мейоза. S-период отсутствует, и репликация ДНК не происходит
Второе деление мейоза (эквационное, или выравнивающее). Мейоз II
Профаза II	Очень укорочена, без кроссинговера. Происходит по принципу митоза, но при гаплоидном наборе хромосом (п2с) утолщаются двухроматидные хромосомы. Центриоли расходятся к полюсам клетки, и формируется веретено деления
Метафаза II	Двухроматидные хромосомы выстраиваются по экватору клетки (процессы идут параллельно в двух клетках, образовавшихся после первого деления мейоза). К центромерам прикрепляются нити веретена деления
Анафаза II	Центромеры делятся надвое, нити веретена деления растягивают к полюсам хроматиды (однохроматидные хромосомы) в клетках
Телофаза II	Однохроматидные хромосомы удлиняются (деспирализация). Разрушаются нити веретена деления. Восстанавливаются ядрышко и ядерная оболочка. Происходит цитокинез в клетках - образуются 4 дочерние клетки (пс)

Процесс мейоза может нарушаться под влиянием различных внешних повреждающих факторов. Патология этого типа деления клеток обычно приводит к сбою в процессе распределения хромосом в гаметах. В зависимости от этого выделяют простое, последовательное и двойное нерасхождение.

При простом нерасхождении происходит неправильное распределение хромосом по клеткам либо в первом, либо во втором делении мейоза. Если затрагивается мейоз I, то все зрелые гаметы будут иметь патологический набор хромосом (анеуплоидию). Патология мейоза II реализуется в изменение количества хромосом только части гамет.

Последовательное нерасхождение затрагивает оба деления мейоза. В этом случае нормальные гаметы не образуются.

Крайне редко мейоз повреждается у обоих родителей. В этих случаях регистрируется двойное нерасхождение.

Выделяют следующие виды нерасхождений хромосом:

· первичное, которое происходит в мейозе у людей с первоначально нормальным набором хромосом;

· вторичное, возникающее у человека, изначально имеющего патологический набор хромосом;

· третичное, формирующееся в мейозе у людей, являющихся носителями сбалансированных перестроек хромосом.

Сбалансированные изменения хромосом не нарушают состояние здоровья у человека, который имеет их в своем кариотипе.