Клеточный цикл
Клеточный цикл — это период существования клетки от момента её образования после деления материнской клетки до следующего деления или гибели. Он включает интерфазу и деление клетки; продолжительность и особенности цикла зависят от типа клетки и условий её жизни.
Что такое клеточный цикл
После завершения деления дочерняя клетка начинает расти, выполняет свои функции, удваивает наследственный материал и подготавливается к новому делению. Совокупность этих процессов образует клеточный цикл. У большинства делящихся эукариотических клеток цикл состоит из интерфазы и митотической фазы.
Клеточный цикл — последовательность процессов в клетке от её образования до следующего деления либо до прекращения жизнедеятельности.
Иногда клетка временно или постоянно выходит из цикла в состояние покоя, обозначаемое \(G_0\). Например, зрелые нейроны обычно не делятся, хотя сохраняют обмен веществ и выполняют свои функции. Выход в \(G_0\) может быть обратимым или необратимым.
- G1 — Рост клетки, синтез белков и органоидов; ДНК ещё не удваивается.
- S — Репликация ДНК; каждая хромосома становится двуххроматидной.
- G2 — Подготовка к делению, накопление энергии, проверка и исправление ДНК.
- M — Митоз и обычно последующее разделение цитоплазмы — цитокинез.
- G0 — Клетка выполняет специализированные функции и не готовится к делению.
Интерфаза: подготовка к делению
Интерфаза занимает большую часть клеточного цикла. Это не «перерыв» и не бездеятельное состояние, а период интенсивного обмена веществ, роста и подготовки к делению. Интерфаза включает периоды \(G_1\), \(S\) и \(G_2\).
| Период | Главные процессы | Состояние генетического материала |
|---|---|---|
| \(G_1\) | Рост клетки; синтез белков, РНК и органоидов; накопление веществ и энергии | Хромосомы однохроматидные; набор ДНК обозначают \(2c\) |
| \(S\) | Удвоение молекул ДНК и синтез гистонов | Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид; количество хромосом не меняется |
| \(G_2\) | Завершение подготовки к митозу; синтез белков веретена деления; контроль повреждений ДНК | Хромосомы двуххроматидные; количество ДНК — \(4c\) |
В \(G_1\) клетка увеличивается и восстанавливает структуру после предыдущего деления. В синтетическом периоде происходит репликация ДНК: каждая молекула ДНК копируется, а дочерние молекулы остаются соединёнными в области центромеры. Поэтому число хромосом не удваивается, но число хроматид увеличивается.
В \(G_2\) клетка проверяет готовность к делению. Если ДНК повреждена, специальные контрольные механизмы могут остановить цикл. При серьёзных повреждениях клетка может перейти к апоптозу — запрограммированной гибели.
После репликации ДНК число хромосом не изменяется: удваивается число хроматид и количество ДНК. Две сестринские хроматиды одной хромосомы соединены центромерой до начала их расхождения в митозе.
Клетка завершила период S. Что изменилось?
Митотическая фаза и значение митоза
Митоз — деление ядра, при котором из одной материнской клетки образуются два генетически сходных дочерних ядра. Обычно митоз завершается цитокинезом — разделением цитоплазмы и органоидов между дочерними клетками.
- Профаза: хроматин спирализуется, становятся видимыми двуххроматидные хромосомы, формируется веретено деления, ядерная оболочка постепенно исчезает.
- Метафаза: хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки; к центромерам прикрепляются нити веретена.
- Анафаза: центромеры делятся, сестринские хроматиды расходятся к противоположным полюсам. С этого момента каждая хроматида считается самостоятельной дочерней хромосомой.
- Телофаза: у полюсов формируются два ядра, хромосомы деспирализуются, исчезает веретено деления.
- Цитокинез: цитоплазма разделяется, образуются две дочерние клетки.
Митоз обеспечивает рост многоклеточного организма, восстановление повреждённых тканей и бесполое размножение некоторых организмов. Он сохраняет постоянство числа хромосом: дочерние клетки обычно получают такой же набор хромосом, как материнская клетка.
Цитокинез — разделение цитоплазмы после деления ядра. У животных клеток образуется перетяжка, а у растений формируется клеточная пластинка, из которой возникает новая клеточная стенка.
Изменение генетического материала в цикле
Для экзамена важно различать понятия хромосома и хроматида. Хромосома может быть однохроматидной или двуххроматидной. После репликации две одинаковые сестринские хроматиды соединены центромерой и до анафазы считаются одной хромосомой.
| Стадия | Число хромосом в диплоидной клетке | Число хроматид | Количество ДНК |
|---|---|---|---|
| G1 | \(2n\) | \(2n\) | \(2c\) |
| После S и в G2 | \(2n\) | \(4n\) | \(4c\) |
| После расхождения хроматид в анафазе, в одной клетке | \(4n\) | \(4n\) | \(4c\) |
| В каждой дочерней клетке после цитокинеза | \(2n\) | \(2n\) | \(2c\) |
Клеточный цикл длится 24 часа. На \(G_1\) приходится 40% времени, на S — 25%, на G2 — 15%. Определим продолжительность митотической фазы.
Ответ: митотическая фаза длится 4 часа 48 минут. В подобных задачах сумма долей всех периодов должна быть равна единице, или 100%.
1. Нельзя считать, что после удвоения ДНК удвоилось число хромосом: до анафазы оно прежнее. 2. Интерфаза не равна периоду покоя: в ней активно растёт клетка и копируется ДНК. 3. Митоз и цитокинез — не одно и то же: митоз делит ядро, а цитокинез разделяет цитоплазму. 4. Нельзя путать \(n\) и \(c\): \(n\) характеризует набор хромосом, а \(c\) — количество ДНК.
Контроль клеточного цикла
Клетка не должна начинать следующий этап, если предыдущий завершён неправильно. Контрольные точки проверяют наличие повреждений ДНК, завершение репликации и правильное прикрепление хромосом к нитям веретена деления. Нарушение контроля может привести к бесконтрольному делению и образованию опухоли.
- Контроль в конце G1: достаточно ли питательных веществ и энергии, исправна ли ДНК, можно ли начинать репликацию.
- Контроль в конце G2: завершена ли репликация и нет ли значительных повреждений ДНК.
- Контроль в метафазе: все ли хромосомы прикреплены к веретену и готовы к расхождению.
Быстрая проверка
Главное
- Клеточный цикл включает интерфазу и митотическую фазу; из G1 клетка может перейти в состояние покоя G0.
- Интерфаза состоит из G1, S и G2: рост, репликация ДНК и подготовка к делению.
- После репликации число хромосом не меняется, но каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.
- Митоз включает профазу, метафазу, анафазу и телофазу; цитокинез разделяет цитоплазму.
- Контрольные точки предотвращают деление клеток с повреждённой ДНК или неправильно прикреплёнными хромосомами.