Наверное, нет ни одного более часто изучаемого в рамках школьной программы по биологии понятия, чем клетка. С ней знакомятся в 5 классе на природоведении, затем в 6 рассматривают разновидности и как размножается клетка, ее способы деления. В 7 и 8 классах она изучается с точки зрения растительной, животной и человеческой принадлежности. 9 класс подразумевает рассмотрение внутренних процессов, происходящих в ней, то есть молекулярное строение. В 10 и 11 это клеточная теория, открытие и эволюция.
Программа строится так потому, что именно эти маленькие структуры, «кирпичики жизни», являются самыми важными элементами любого организма. Все жизненные функции, процессы, рост и развитие, становление — все, что связано с жизнью, осуществляется ими и в них. Поэтому в данной статье мы рассмотрим основные моменты размножения, развития клеток и историю их открытия.
Эти структурные частицы чрезвычайно малы по размерам. Поэтому для их открытия понадобилось много времени и создание определенной техники. Так, впервые клеточную структуру живой растительной ткани увидел Роберт Гук. Это было в 1665 году. Для того чтобы их рассмотреть, он изобрел первый в мире микроскоп. Данное устройство мало напоминало современные увеличительные приборы. Скорее, было похоже на несколько скомпонованных между собой луп, дающих увеличение.
Используя данный прибор, ученый рассматривал срез пробкового дерева. То, что он увидел, положило начало развитию ряда смежных наук и биологии в целом. Множество плотно прилегающих друг к другу ячеек примерно одинаковой формы и размера. Гук назвал их cella, что означает «клетка».
Впоследствии был сделан ряд открытий, которые позволили знаниям разрастись, накопиться и вылиться в несколько наук, занимающихся их изучением.
1675 г. — ученый Мальпиги изучал разнообразие клеток по форме и пришел к выводу, что это чаще всего округлые или овальные пузырьки, заполненные жизненным соком.
1682 г. — Н. Грю подтвердил выводы Мальпиги, а также занимался изучением строения оболочки клетки.
1674 г. — Антонио ван Левенгук открывает клетки бактерий, а также кровяные структуры и сперматозоиды.
1802-1809 гг. — Ш. Бриссо-Мирбе и Ж. Б. Ламарк предполагают существование тканей и схожесть животных и растительных клеток.
1825 г. — Пуркинье открывает ядро в половой клетке птиц.
1831-1833 гг. — Роберт Броун открывает наличие ядра в растительных клетках и вводит понятие о значимости внутреннего состава, а не клеточной оболочки, как считалось ранее.
1839 г. — Теодор Шванн делает выводы о том, что все живые организмы состоят из клеток, а также о схожести последних между собой (будущая клеточная теория).
1874-1875 гг. — Чистяков и Страсбургер открывают способы размножения клеток — митоз, мейоз.
Все дальнейшие открытия в области строения клеток, их функций, многообразия и роли в жизни организмов были совершены достаточно быстро благодаря интенсивному развитию специальной увеличительной и осветительной техники.
Каждая клетка в течение жизни совершает целый клеточный цикл — это время ее жизни с момента появления на свет и до смерти (или деления). Причем, совершенно неважно, животная она или растительная. Жизненный цикл одинаков для всех из них, и чаще всего, в конце его клетки размножаются делением.
Конечно, не для всех организмов этот процесс идентичен. Для эукариотов и прокариотов он принципиально различается, также имеются некие отличия и в размножении растительных и животных клеток.
Как размножается клетка? Для этого существует несколько основных способов.
Каждый из них представляет собой целый ряд процессов, фаз. Причем все эти процессы характерны именно для многоклеточных организмов, как растительного, так и животного происхождения. У одноклеточных размножение происходит путем простого деления надвое. То есть способы размножения клеток не одинаковы. Существует даже такое явление, как клеточный суицид. Это самоуничтожение клеток вместо процессов деления.
Как размножается клетка, например, бактерий, сине-зеленых водорослей, некоторых простейших? Бесполым путем, самым простым способом: содержимое их клетки удваивается, в клеточной стенке формируется поперечная или продольная перетяжка и одна клетка делится на два совершенно новых, идентичных материнскому, организма.
Данный процесс называется прямым делением клетки. Размножаются им одноклеточные и бактерии, но он не имеет отношения ни к митотическим, ни к мейотическим процессам. Они происходят только в организме многоклеточных живых организмов.
В многоклеточных существах содержится миллиарды клеток. И каждая из них стремится завершить свой жизненный цикл, именно оставив потомство, а не умерев. Клетки размножаются делением, однако данный процесс не у всех из них одинаков.
Соматические структуры (к таким относятся все клетки организма, кроме половых) своим способом для размножения выбирают митоз или амитоз. Это очень интересный, емкий и сложный процесс, в результате которого из одной материнской диплоидной клетки (то есть с двойным набором хромосом) образуются две идентичные ей дочерние с таким же диплоидным составом.
Весь процесс включает в себя два основных момента:
Кариокинез — деление ядра и всего его содержимого.
Цитокинез — деление протоплазмы (цитоплазмы и всех клеточных органоидов).
Протекают эти процессы одномоментно, приводя к формированию полноценных материнских копий уменьшенного размера.
Митоз состоит из четырех фаз (профаза, метафаза, анафаза, телофаза) и состояния, предшествующего делению — интерфазы. Рассмотрим каждую подробно.
Рост и размножение клеток осуществляется в течение всей жизни организма. Однако не все клетки имеют одинаковый срок существования. Какие-то из них погибают через два-три дня (форменные элементы крови), какие-то остаются функционировать всю жизнь (нервные).
Но в жизни каждой клетки большую часть времени сохраняется такое состояние, которое называется интерфазой. Это период подготовки к делению зрелой сформировавшейся клетки, который занимает до 90% времени всего процесса.
Биологический смысл данной стадии в накоплении питательных веществ, РНК и белков, синтезе молекул ДНК. Ведь после деления в каждую дочернюю клетку должно попасть ровно такое количество органоидов, веществ и генетического материала, сколько было в материнской. Для этого должно произойти удвоение всех имеющихся структур, в том числе и нитей ДНК.
В целом, интерфаза происходит в три этапа:
пресинтетический;
синтетический;
постсинтетический.
Результат: накопление питательных элементов, энергии и ДНК молекул для дальнейших процессов деления. Таким образом, данная стадия — это лишь начало того, как размножается клетка в дальнейшем.
На данном этапе происходят следующие основные процессы:
растворяется ядерная оболочка;
исчезают (растворяются) ядрышки;
хромосомы становятся видимы в микроскоп за счет скручивания (спирализации) структуры;
центриоли расходятся к полюсам клетки, вытягивая и формируя веретено деления.
На этой стадии размножение животных клеток ничем не отличается от такового у всех других.
Данная фаза достаточно короткая, всего около 10 минут. Основа ее в том, что хроматиды выстраиваются по экватору клетки. Ниточки веретена деления одним концом цепляются за центриоль у полюса клетки, а другим за центромеру каждой хроматиды. Между собой генетические структуры уже почти не связаны и поэтому легко готовы к рассоединению.
Самая короткая стадия всего митотического цикла. Длительность составляет около 3 минут. В этот период каждая хроматида уходит к своему полюсу клетки и достраивает себе недостающую половинку, превращаясь в нормального строения хромосому.
Однако для этого образования требуется специальный фермент — теломераза. Именно его накопление шло в интерфазе.
У каждого клеточного полюса появляется свой генетический полноценный материал, который одевается в ядерную оболочку, формируя ядро. Появляются ядрышки. Весь процесс занимает примерно 30 минут. То есть довольно продолжительное время. Это происходит потому, что формирование ядрышек и ядерной оболочки требует больших энергетических затрат, а также наличия строительного материала — питательных веществ (белков, углеводов, ферментов, жиров, аминокислот).
Данный процесс завершает весь митотический цикл. Протоплазма делится вместе с органоидами строго пополам, и каждая дочерняя особь получает ровно столько же, сколько ее сестра. Затем поперек клетки формируется белковая перетяжка (актиновой природы), которая сдавливает структуру поперек и делит ее на две равные, но меньшие по размерам, по сравнению с материнской, клетки.
На этой стадии есть некоторые отличия животной клетки от того, как размножается клетка растения. Дело в том, что в растительных структурах белка меньше, а актина вообще нет. Поэтому посередине формируется не перетяжка, а перегородка, по обе стороны которой откладывается целлюлоза. Это придает растительной клетке жесткость, формирует каркас в виде клеточной стенки.
Рост и размножение клеток далее идет по пути обычного жизненного цикла: специализация, формирование тканей, затем органов, активная работа и деление, либо смерть.
На вопрос о том, как размножается клетка, ответ может быть дан при уточнении, какая именно. Ведь рассмотренные нами процессы митоза характерны только для соматических структур. Тогда как половые клетки размножаются несколько иным образом, а точнее, мейозом.
Данный процесс является основой таких жизненных функций у животных, как гаметогенез, то есть половое размножение. Развитие половых клеток происходит многостадийно. Поэтому мейоз — еще более сложное и емкое деление, нежели митоз.
Для растительных клеток мейоз — основа спорогенеза, то есть образования половых клеток. Основная биологическая роль мейоза для всех организмов заключается в том, что в результате него образуются четыре гаплоидные (с половинчатым или одинарным набором хромосом) половые клетки. Зачем? Для того, чтобы при оплодотворении (слиянии мужской и женской половых клеток) происходило восстановление диплоидности в новой зиготе (будущем зародыше). Это дает генетическое разнообразие организмам, приводит к комбинации генов, появлению и закреплению новых признаков.
Выделяют два основных деления в мейозе: редукционное и эквационное. Каждое из них включает в себя все те же фазы, что и митоз: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Рассмотрим немного подробнее каждое из них.
Суть: из одной диплоидной клетки образуются две гаплоидные, с половинчатым набором хромосом. Фазы:
На каждой из фаз повторяются все те же самые преобразования, что и на соответствующих стадиях в митозе. Однако одно отличие все же есть: в интерфазе не происходит удвоение ДНК, она лишь делится пополам, и все. Поэтому в каждую дочернюю клетку попадает лишь половина генетической информации. Это начальное размножение животных клеток, а также растительных, относящихся к половым.
Второе деление мейоза, в результате которого образуется еще по две клетки от каждой предыдущей. Теперь уже имеется четыре одинаковых гаплоидных аналога, которые и становятся половыми клетками животных или растений. Стадии эквационного деления: профаза II, метафаза II, анафаза II, телофаза II.
Таким образом, вопрос о том, как размножается клетка, имеет достаточно сложный и емкий ответ. Ведь эти процессы, как и все другие, происходящие в живых существах, очень тонкие и состоят из множества стадий.
источник
Жизненный цикл клетки, или клеточный цикл, – это промежуток времени, в течение которого клетка существует как единица, т. е. период жизни клетки. Он длится от момента появления клетки в результате деления ее материнской и до конца деления ее самой, когда она «распадается» на две дочерние.
Бывают случаи, когда клетка не делится. Тогда ее жизненный цикл — это период от появления клетки до гибели. Обычно не делятся клетки ряда тканей многоклеточных организмов. Например, нервные клетки и эритроциты.
Принято в жизненном цикле клеток эукариот выделять ряд определенных периодов, или фаз. Они характерны для всех делящихся клеток. Фазы обозначают G1, S, G2, M. Из фазы G1 клетка может уходить в фазу G0, оставаясь в которой, она не делится и во многих случаях дифференцируется. При этом некоторые клетки могут возвращаться из G0 в G1 и пройти по всем этапам клеточного цикла.
Буквы в аббревиатурах фаз – это первые буквы английских слов: gap (промежуток), synthesis (синтез), mitosis (митоз).
Красным флуоресцентным индикатором клетки подсвечиваются в фазу G1. Остальные фазы клеточного цикла — зеленым.
Период G1 – пресинтетический – начинается сразу как только клетка появилась. В этот момент она меньше по размеру, чем материнская, в ней мало веществ, недостаточно количество органоидов. Поэтому в G1 происходит рост клетки, синтез РНК, белков, построение органелл. Обычно G1 – самая длительная фаза жизненного цикла клетки.
S – синтетический период. Самый главный его отличительный признак – удвоение ДНК путем репликации. Каждая хромосома становится состоящей из двух хроматид. В этот период хромосомы по-прежнему деспирализованы. В хромосомах, кроме ДНК, много белков-гистонов. Поэтому в S-фазу гистоны синтезируются в большом количестве.
В постсинтетический период – G2 – клетка готовится к делению, обычно путем митоза. Клетка продолжает расти, активно идет синтез АТФ, могут удваиваться центриоли.
Далее клетка вступает в фазу клеточного деления – M. Здесь происходит деление клеточного ядра – кариокинез, после чего деление цитоплазмы – цитокинез. Завершение цитокинеза знаменует завершение жизненного цикла данной клетки и начало клеточных циклов двух новых.
Фаза G0 иногда называют периодом «отдыха» клетки. Клетка «выходит» из обычного цикла. В этот период клетка может приступить к дифференциации и уже никогда не вернуться к обычному циклу. Также в фазу G0 могут входить стареющие клетки.
Переход в каждую последующую фазу цикла контролируется специальными клеточными механизмами, так называемыми чекпоинтами – контрольными точками. Чтобы наступила следующая фаза, в клетке должно быть все готово для этого, в ДНК не содержаться грубых ошибок и др.
Фазы G0, G1, S, G2 вместе формируют интерфазу — I.
источник
Вывод: Мы изучили последовательность митоза, используя микропрепарат деления корешка лука путём митоза. Выделятся 4 фазы митоза: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. В профазе происходит увеличение объема ядра, ядерная мембрана распадается, хромосомы спирализуются, укорачиваются, становятся четко различимыми в микроскоп. В метафазе нити веретена деления прикрепляются к центромерам, хромосомы располагаются в районе экватора клетки. В анафазе центромеры делятся, хроматиды подтягиваются с помощью прикрепленных к центромерам нитей веретена деления к противоположным полюсам клетки. В телофазу хромосомы деспирализуются, формируются новые ядра, вновь появляется ядрышко и образуется ядерная оболочка, в области экватора образуется перетяжка и формируются две дочерние клетки .
источник
13. Жизненный цикл кл.: его этапы, морфо-функциональная характеристика и особенности у различных видов кл.
Жизненный цикл клетки– это период существования клетки от момента её образования путём деления материнской клетки до её смерти. Важнейшим компонентом является митотический цикл.
— Интерфаза – подготовка к делению клетки.
Интерфаза — подготовка к делению клетки.
— Пресинтетический (G1) – идёт рост образовавшейся клетки, синтез различных РНК и белков. Синтез ДНК не происходит. (12-24 часа). 2n2c (хромосом и ДНК).
— Синтетический (S) – синтез ДНК и редупликация хромосом. Синтез РНК и белка. (10 часов).
— Постсинтетический (G2) – синтез ДНК останавливается. Происходит синтез РНК, белков и накопление энергии. Ядро увеличивается в размере. Происходит его деление. (3-4 часа).
— Амитоз – прямое, простое деление клетки (неполноценное).
— Профаза – хромосомы спирализуются, укорачиваются, приобретают вид нитей и ядро напоминает клубок нитей. Ядрышко начинает разрушаться. Ядерная оболочка частично лизируется. В цитоплазме уменьшается количество структур шероховатой ЭПС. Резко уменьшается число полисом. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам. Между ними микротрубочки образуют веретено деления, увеличивается вязкость цитоплазмы, её тургорт и поверхностное натяжение внутренней мембраны.
— Прометафаза – исчезает ядерная оболочка и ядрышко. Хромосомы в виде толстых нитей располагаются по экватору.
— Метафаза – заканчивается образование веретена деления. Хроматиновые нити прикрепляются одним концом к центриолям, а другим к центромерам хромосом. Хроматиды начинают отталкиваться друг от друга. Хромосомы подразделяются на две хроматиды. Остаются сцепленными в центре. Хромосомы выстраиваются по экватору, образуя материнскую звезду.
Анафаза – рвётся связь по центромере, сохраняются нити ахроматинового веретена и растягивают хроматиды к центриолям.
— Телофаза – происходят процессы обратные процессам профазы. Хромосомы десрирализуются, удлиняются, становятся тонкими. Формируется ядрышко, образуется ядерная мембрана, разрушается веретено деления, происходит цитокинез. Из материнской клетки образуются две дочерние.
Клеточный (или жизненный) цикл клетки – время существования клетки от деления до следующего деления или от деления до смерти. Для разных типов клеток клеточный цикл различен.
В организме млекопитающих и человека различают следующие типы клеток, локализующиеся в разных тканях и органах:
1) часто делящиеся клетки (малодифференцированные клетки эпителия кишечника, базальные клетки);
2) редко делящиеся клетки (клетки печени – гепатоциты);
3) неделящиеся клетки (нервные клетки центральной нервной системы, меланоциты и др.).
Жизненный цикл у этих клеточных типов различен.
Жизненный цикл у часто делящихся клеток – время их существования от начала деления до следующего деления. Жизненный цикл таких клеток нередко называют митотическим циклом.
Такой клеточный цикл подразделяется на два основных периода:
1) митоз (или период деления);
2) интерфазу (промежуток жизни клетки между двумя делениями).
Выделяют два основных способа размножения (репродукции) клеток.
1. Митоз (кариокенез) – непрямое деление клеток, присущее в основном соматическим клеткам.
2. Мейоз (редукционное деление) характерен только для половых клеток.
Имеются описания и третьего способа деления клеток – амитоза (или прямого деления), которое осуществляется путем перетяжки ядра и цитоплазмы с образованием двух дочерних клеток или одной двухядерной. Однако в настоящее время считают, что амитоз характерен для старых и дегенерирующих клеток и является отражением патологии клетки.
Указанные два способа деления клеток подразделяются на фазы или периоды.
Митоз подразделяется на четыре фазы:
Профаза характеризуется морфологическими изменениями ядра и цитоплазмы.
В ядре происходят следующие преобразования:
1) конденсация хроматина и образование хромосом, состоящих из двух хроматид;
3) распад кариолеммы на отдельные пузырьки.
В цитоплазме происходят следующие изменения:
1) редупликация (удвоение) центриолей и расхождение их к противоположным полюсам клетки;
2) формирование из микротрубочек веретена деления;
3) редукция зернистой ЭПС и также уменьшение числа свободных и прикрепленных рибосом.
В метафазе происходит следующее:
1) образование метафазной пластинки (или материнской звезды);
2) неполное обособление сестринских хроматид друг от друга.
1) полное расхождение хроматид и образование двух равноценных дипольных наборов хромосом;
2) расхождение хромосомных наборов к полюсам митотического веретена и расхождение самих полюсов.
1) деконденсация хромосом каждого хромосомного набора;
2) формирование из пузырьков ядерной оболочки;
3) цитотомия, (перетяжка двухядерной клетки на две дочерние самостоятельные клетки);
4) появление ядрышек в дочерних клетках.
Интерфазу подразделяют на три периода:
1) I – J1 (или пресинтетический период);
2) II – S (или синтетический);
3) III – J2 (или постсинтетический период).
В пресинтетическом периоде в клетке происходят следующие процессы:
1) усиленное формирование синтетического аппарата клетки – увеличение числа рибосом и различных видов РНК (транспортной, информационной, рибосомальной);
2) усиление синтеза белка, необходимого для роста клетки;
3) подготовка клетки к синтетическому периоду – синтез ферментов, необходимых для образования новых молекул ДНК.
Для синтетического периода характерно удвоение (редупликация) ДНК, что приводит к удвоению плоидности диплоидных ядер и является обязательным условием для последующего митотического деления клетки.
Постсинтетический период характеризуется усиленным синтезом информационной РНК и всех клеточных белков, особенно тубулинов, необходимых для формирования веретена деления.
Клетки некоторых тканей (например, гепатоциты) по выходе из митоза вступают в так называемый J0-период, во время которого они выполняют свои многочисленные функции в течение ряда лет, при этом не вступая в синтетический период. Только при определенных обстоятельствах (при повреждении или удалении части печени) они вступают в нормальный клеточный цикл (или в синтетический период), синтезируя ДНК, а затем митотически делятся. Жизненный цикл таких редко делящихся клеток можно представить следующим образом:
Большинство клеток нервной ткани, особенно нейроны центральной нервной системы, по выходе из митоза еще в эмбриональном периоде в дальнейшем не делятся.
Жизненный цикл таких клеток состоит из следующих периодов:
3) длительного функционирования – III период;
На протяжении длительного жизненного цикла такие клетки постоянно регенерируют по внутриклеточному типу: белковые и липидные молекулы, входящие в состав разнообразных клеточных структур, постепенно заменяются новыми, т. е. клетки постепенно обновляются. На протяжении жизненного цикла в цитоплазме неделящихся клеток накапливаются различные, прежде всего липидные включения, в частности липофусцин, рассматриваемый в настоящее время как пигмент старения.
Мейоз – способ деления клеток, при котором происходит уменьшение числа хромосом в дочерних клетках в 2 раза, характерен для половых клеток. В данном способе деления отсутствует редупликация ДНК.
Кроме митоза и мейоза, выделяется также эндорепродукция, не приводящая к увеличению количества клеток, но способствующая увеличению количества работающих структур и усилению функциональной способности клетки.
Для данного способа характерно, что после митоза клетки сначала вступают в J1-, а затем в S-период. Однако такие клетки после удвоения ДНК не вступают в J2-период, а затем в митоз. В результате этого количество ДНК становится увеличенным вдвое – клетка превращается в полиплоидную. Полиплоидные клетки могут вновь вступать в S-период, в результате чего они увеличивают свою плоидность.
В полиплоидных клетках увеличивается размер ядра и цитоплазмы, клетки становятся гипетрофированными. Некоторые полиплоидные клетки после редупликации ДНК вступают в митоз, однако он не заканчивается цитотомией, так как такие клетки становятся двухъядерными.
Таким образом, при эндорепродукции не происходит увеличения числа клеток, но увеличивается количество ДНК и органелл, следовательно, и функциональная способность полиплоидной клетки.
Способностью к эндорепродукции обладают не все клетки. Наиболее характерна эндорепродукция для печеночных клеток, особенно с увеличением возраста (например, в старости 80% гепатоцитов человека являются полиплоидными), а также для ацинозных клеток поджелудочной железы и эпителия мочевого пузыря.
источник
Фазы клеточного цикла Их всего шесть. Известны следующие фазы жизненного цикла клетки: 1)Деление. Здесь протекает митотическое деление. 2)Рост. После деления клетка увеличивается в объеме. Она достигает определенных размеров. 3)Покой. В это время дальнейшая судьба еще не определена: клетка готовится либо к делению, либо к специализации. 4)Дифференциация. По окончании фазы роста клетка приобретает соответствующие структурные, функциональные особенности. 5)Зрелость. Клетка выполняет определенные функции, исходя из ее специализации. 6)Старение. Ослабление клеточных жизненных функций. Далее – либо деление, либо гибель.
Размножение клеток и их жизненный цикл
Жизненный цикл клетки: интерфаза. Это период между двумя митотическими клеточными делениями. Воспроизведение хромосом протекает сходно с редупликацией (полуконсервативной репликацией) молекул ДНК. В интерфазе ядро клетки окружено особой двухмембранной оболочкой, а хромосомы раскручены, и при обычном световом микроскопировании незаметны. При окрашивании и фиксации клеток происходит скопление сильно окрашенного вещества — хроматина. Стоит отметить, что цитоплазма содержит все требуемые органоиды. Это обеспечивает полноценное существование клетки. В жизненном цикле клетки интерфаза сопровождается тремя периодами. Рассмотрим каждый из них поподробнее.
Третий период – пост синтетический . —
Первый из них называется парасинтетическим.
Первый из них называется пересинтетическим. Результат предшествующего митоза – рост числа клеток. Здесь протекает транскрипция новоиспеченных молекул РНК (информационной), а также систематизируются молекулы остальных РНК, в ядре и цитоплазме синтезируются белки. Некоторые вещества цитоплазмы постепенно расщепляются с формированием АТФ, ее молекулы наделены макроэргическими связями, они переносят энергию туда, где ее недостаточно. При этом клетка увеличивается, по размерам она достигает материнской. Данный период длится долго у специализированных клеток, на его протяжении они осуществляют свои особые функции.
Второй период известен как синтетический (синтез ДНК). Его блокада может привести к остановке всего цикла. Здесь протекает репликация молекул ДНК, а также синтез белков, которые участвуют в формировании хромосом. ДНК-молекулы начинают связываться с белковыми, в результате чего хромосомы утолщаются. Одновременно с этим наблюдается репродукция центриолей, в итоге их появляется 2 пары. Новая центриоль во всех парах размещается относительно старой под углом в 90°. Впоследствии каждая пара в период следующего митоза отодвигается к клеточным полюсам. Синтетический период характеризуется как повышенным ДНК-синтезом, так и резким скачком формирования молекул РНК, а также белков в клетки.
Третий период – постсинтетический. Он характеризуется наличием подготовки клетки к последующему делению (митотическому). Длится данный период, как правило, всегда меньше других. Иногда он вообще выпадает.
Фазы клеточного цикла Их всего шесть. Известны следующие фазы жизненного цикла клетки: 1)Деление. Здесь протекает митотическое деление. 2)Рост. После деления клетка увеличивается в объеме. Она достигает определенных размеров. 3)Покой. В это время дальнейшая судьба еще не определена: клетка готовится либо к делению, либо к специализации. 4)Дифференциация. По окончании фазы роста клетка приобретает соответствующие структурные, функциональные особенности. 5)Зрелость. Клетка выполняет определенные функции, исходя из ее специализации. 6)Старение. Ослабление клеточных жизненных функций. Далее – либо деление, либо гибель.
Способы деления клетки Из всего два: 1)Митоз – это непрямое деление клеток. 2) Мейоз – это характерное для такой фазы, как созревание половых клеток, деление.
Непрямое деление клеток Митоз представляет собой непрямое деление именно соматических клеток. Это непрерывный процесс, результат которого – сначала удвоение, затем одинаковое распределение между дочерними клетками наследственного материала.
Механизм митоза
Деление цитоплазмы и ядра – 2 самостоятельных процесса, которые протекают непрерывно, последовательно. Но в целях удобства изучения происходящих в период деления событий он искусственно разграничивается на 4 стадии: про-, мета-, ана-, телофазу. Их продолжительность различна в зависимости от типа ткани, внешних факторов, физиологического состояния. Самыми продолжительными выступают первая и последняя.
источник
Непрерывность жизни на Земле обеспечивается размножением организмов — одним из важнейших проявлений жизни. Размножение обеспечивает передачу наследственной информации, преемственность поколений, увеличение численности организмов. Индивидуальное развитие организмов — онтогенез — охватывает все этапы развития особи от момента образования оплодотворенной яйцеклетки — зиготы до старения и естественной смерти.
Рис. 1. Клеточный цикл: А — интерфаза; Б — деление клетки
В основе размножения лежит деление клеток. Период жизнедеятельности клетки от момента ее возникновения до момента ее деления на две дочерние называется клеточным циклом. В этот период происходит ряд событий, обеспечивающих рост, развитие и размножение клетки.
Длительность клеточных циклов в разных тканях даже у одного и того же организма различна и широко варьирует. Она может быть меньше одного часа в дробящихся клетках эмбрионов позвоночных животных, а может составлять и целый год, как, например, в клетках печени взрослого человека. Клеточный цикл состоит из интерфазы и деления.
Продолжительность клеточного цикла в клетках различных тканей
Интерфаза — это фаза жизненного цикла между двумя делениями клетки. Она характеризуется активными процессами обмена веществ, синтезом белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, накоплением клеткой питательных веществ, увеличением количества всех его органелл, ростом и увеличением объема.
В интерфазе различают три последовательные фазы: предсинтетическую — G, синтетическую — S и пост-синтетическую — G 2.
Предсинтетическая фаза G, характеризуется интенсивными процессами обмена веществ. В этот период клетка активно синтезирует органические вещества, в ней увеличивается количество всех органоидов: хлоропластов, митохондрий, лизосом, вакуолей с клеточным соком и т. д. Увеличивается в размерах эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи. В ядре активно синтезируются все виды РНК, в ядрышке образуются и собираются рибосомы. Происходит интенсивный рост клетки.
Синтетическая фаза S наступает в середине интерфазы и характеризуется удвоением ДНК — редупликацией. В результате в клетке образуется удвоенное количество молекул ДНК. До начала S-фазы каждой хромосоме соответствует одна молекула ДНК, а после редупликации одна хромосома состоит уже из двух ДНК.
Далее клетка вступает в непродолжительную пост—синтетическую фазу G 2. Здесь также продолжается интенсивный биосинтез веществ, увеличивается энергетический запас клетки за счет синтеза АТФ. В это время удваиваются центриоли клеточного центра. Клетка подготавливается к делению.
Продолжительность интерфазы зависит от типа клеток и в среднем составляет не менее 90 % от общего времени клеточного цикла. Это время чаще всего зависит от фазы G, длительность которой варьирует в очень широких пределах. Она может практически отсутствовать, когда клетки быстро делятся, например при дроблении зиготы. Но может составлять очень большую величину — практически всю жизнь организма. Так, например, нервные клетки взрослого человека находятся в фазе G, интерфазы всю жизнь и более не делятся.
Интерфаза заканчивается, и клетка вступает в следующий период клеточного цикла — в стадию деления.
1. Назовите основные периоды клеточного цикла.
2. Что такое интерфаза? Какие процессы протекают в этот период?
3. На какие фазы подразделяется интерфаза? Охарактеризуйте процессы, протекающие в каждую из этих фаз.
4. В какой период интерфазы происходит главное событие в клетке? Почему его считают основным?
5. Сравните данные, приведенные в таблице, и сделайте вывод о длительности клеточного цикла. От чего он зависит?
6. Общая масса всех молекул ДНК в соматической клетке человека составляет 6 х 10 -9 мг. Чему равна масса всех молекул ДНК в предсинтетический период и в постсинтетический период? За счет чего она изменилась?
источник
Этот урок позволяет самостоятельно изучить тему «Жизненный цикл клетки». На нем мы поговорим, что играет главную роль при клеточном делении, что передает генетическую информацию от одного поколения к другому. Также вы изучите весь жизненный цикл клетки, который еще называют последовательностью событий, протекающих от момента образования клетки до ее деления.
Тема: Размножение и индивидуальное развитие организмов
Урок: Жизненный цикл клетки
Согласно клеточной теории, новые клетки возникают только путем деления предыдущих материнских клеток. Хромосомы, в которых содержатся молекулы ДНК, играют важную роль в процессах клеточного деления, поскольку обеспечивают передачу генетической информации от одного поколения к другому.
Поэтому очень важно, чтобы дочерние клетки получили одинаковое количество генетического материала, и вполне естественно, что перед делением клетки происходит удвоение генетического материала, то есть молекулы ДНК (рис. 1).
Что же такое клеточный цикл? Жизненный цикл клетки – последовательность событий, происходящих от момента образования данной клетки до ее деления на дочерние клетки. Согласно другому определению, клеточный цикл – жизнь клетки от момента ее появления в результате деления материнской клетки и до ее собственного деления или гибели.
В течение клеточного цикла клетка растет и видоизменяется так, чтобы успешно выполнять свои функции в многоклеточном организме. Этот процесс носит название дифференцировки. Затем клетка успешно выполняет свои функции в течение определенного промежутка времени, после чего приступает к делению.
Понятно, что все клетки многоклеточного организма не могут делиться бесконечно, иначе все существа, в том числе и человек, были бы бессмертными.
Рис. 1. Фрагмент молекулы ДНК
Этого не происходит, потому что в ДНК имеются «гены смерти», которые активируются при определенных условиях. Они синтезируют определенные белки-ферменты, разрушающие структуры клетки, её органеллы. В результате, клетка сжимается и погибает.
Такая запрограммированная клеточная смерть носит название апоптоза. Но в период от момента появления клетки и до апоптоза, клетка проходит множество делений.
Клеточный цикл состоит из 3-х главных стадий:
1. Интерфаза – период интенсивного роста и биосинтеза определенных веществ.
2. Митоз, или кариокинез (деление ядра).
3. Цитокинез (деление цитоплазмы).
Давайте более подробно охарактеризуем стадии клеточного цикла. Итак, первая – это интерфаза. Интерфаза – наиболее продолжительная фаза, период интенсивного синтеза и роста. В клетке синтезируется много веществ, необходимых для ее роста и осуществления всех свойственных ей функций. Во время интерфазы происходит репликация ДНК.
Митоз – процесс деления ядра, при котором хроматиды отделяются друг от друга и перераспределяются в виде хромосом между дочерними клетками.
Цитокинез – процесс разделения цитоплазмы между двумя дочерними клетками. Обычно под названием митоз цитологии объединяют стадию 2 и 3, то есть деление клетки (кариокинез), и деление цитоплазмы (цитокинез).
Давайте более подробно охарактеризуем интерфазу (рис. 2). Интерфаза состоит из 3-х периодов: G1, S и G2. Первый период, пресинтетический (G1) – это фаза интенсивного роста клетки.
Рис. 2. Основные стадии жизненного цикла клетки.
Здесь происходит синтез определенных веществ, это наиболее продолжительная фаза, которая следует за делением клеток. В этой фазе происходит накопление веществ и энергии, необходимой для последующего периода, то есть для удвоения ДНК.
Согласно современным представлениям, в периоде G1 синтезируются вещества, которые ингибируют либо стимулируют следующий период клеточного цикла, а именно синтетический период.
Синтетический период (S), обычно длится от 6 до 10 часов, в отличие от пресинтетического периода, который может длиться до нескольких суток и включает удвоение ДНК, а также синтез белков, например белков гистонов, которые могут формировать хромосомы. К концу синтетического периода, каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных друг с другом центромером. В этот же период центриоли удваиваются.
Постсинтетический период (G2), наступает сразу же после удвоения хромосом. Он длится от 2-х до 5-ти часов.
В этот же период накапливается энергия, необходимая для дальнейшего процесса деления клетки, то есть непосредственно для митоза.
В этот период происходит деление митохондрий и хлоропластов, а также синтезируются белки, которые впоследствии будут образовывать микротрубочки. Микротрубочки, как вы знаете, образуют нить веретена деления, и теперь клетка готова к митозу.
Прежде чем перейти к описанию способов деления клетки, рассмотрим процесс удвоения ДНК, который приводит к образованию двух хроматид. Этот процесс происходит в синтетическом периоде. Удвоение молекулы ДНК называют репликацией или редупликацией (рис. 3).
Рис. 3. Процесс репликации (редупликации) ДНК (синтетический период интерфазы). Фермент хеликаза (зеленый) расплетает двойную спираль ДНК, а ДНК-полимеразы (голубой и оранжевый) достраивают комплементарные нуклеотиды.
Во время репликации часть молекулы материнской ДНК расплетается на две нити с помощью специального фермента – хеликазы. Причем это достигается разрывом водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями (А-Т и Г-Ц). Далее к каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК фермент ДНК полимеразы подстраивает комплементарный ему нуклеотид.
Так образуются две двухцепочечные молекулы ДНК, в состав каждой из которой входит одна цепочка материнской молекулы и одна новая дочерняя цепочка. Эти две молекулы ДНК абсолютно идентичны.
Расплести для репликации всю большую молекулу ДНК одновременно невозможно. Поэтому репликация начинается в отдельных участках молекулы ДНК, образуются короткие фрагменты, которые затем сшиваются в длинную нить при помощи определенных ферментов.
Продолжительность клеточного цикла зависит от типа клетки и от внешних факторов, таких как температура, наличие кислорода, наличие питательных веществ. Например, бактериальные клетки в благоприятных условиях делятся каждые 20 минут, клетки эпителия кишечника каждые 8–10 часов, а клетки кончиков корней лука делятся каждые 20 часов. А некоторые клетки нервной системы не делятся никогда.
Возникновение клеточной теории
В XVII веке английский врач Роберт Гук (рис. 4), используя самодельный световой микроскоп, увидел, что пробка и другие растительные ткани состоят из маленьких ячеек, разделенных перегородками. Он их назвал клетками.
В 1738 году немецкий ботаник Маттиас Шлейден (рис. 5) пришел к выводу, что растительные ткани состоят из клеток. Ровно через год зоолог Теодор Шванн (рис. 5) пришел к такому же выводу, но только относительно тканей животных.
Он заключил, что животные ткани, так же как и растительные, состоят из клеток и что клетки являются основой жизни. На основании клеточных данных ученые сформулировали клеточную теорию.
Через 20 лет Рудольф Вирхов (рис. 6) расширил клеточную теорию и пришел к заключению, что клетки могут появляться из других клеток. Он писал: «Где существует клетка, там должна быть и предшествующая клетка, точно так, как животные происходят только от животного, а растения – только от растения… Над всеми живыми формами, будь то организмы животных или растений, или их составные части, господствует вечный закон непрерывного развития».
Строение хромосом
Как вы знаете, хромосомы играют ключевую роль в клеточном делении, поскольку передают генетическую информацию от одного поколения к другому. Хромосомы состоят из молекулы ДНК, связанной с белками гистонами. Также в состав рибосом входит небольшое количество РНК.
В делящихся клетках хромосомы представлены в виде длинных тонких нитей, равномерно распределенных по всему объему ядра.
Отдельные хромосомы не различимы, но их хромосомный материал окрашивается основными красителями и называется хроматином. Перед делением клетки хромосомы (рис. 7) утолщаются и укорачиваются, что позволяет их хорошо видеть в световой микроскоп.
Рис. 7. Хромосомы в профазе 1 мейоза
В диспергированном, то есть растянутом состоянии, хромосомы участвуют во всех процессах биосинтеза или регулируют процессы биосинтеза, а во время клеточного деления эта их функция приостанавливается.
При всех формах клеточного деления ДНК каждой хромосомы реплицируется, так что образуются две идентичные, двойные полинуклеотидные цепи ДНК.
Эти цепи окружаются белковой оболочкой и в начале клеточного деления имеют вид идентичных нитей, лежащих бок о бок. Каждая нить носит название хроматиды и соединена со второй нитью неокрашивающимся участком, который носит название центромеры (рис. 8).
Домашнее задание
1. Что такое клеточный цикл? Из каких стадий он состоит?
2. Что происходит с клеткой во время интерфазы? Из каких этапов состоит интерфаза?
3. Что такое репликация? Каково её биологическое значение? Когда она происходит? Какие вещества в ней участвуют?
4. Как зародилась клеточная теория? Назовите имена ученых, которые участвовали в её становлении.
5. Что такое хромосома? Какова роль хромосом в клеточном делении?
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
1. Техническая и гуманитарная литература (Источник).
2. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов (Источник).
3. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов (Источник).
4. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов (Источник).
5. Интернет-портал Schooltube (Источник).
Список литературы
1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
4. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. – 5-е изд., стереотип. – Дрофа, 2010. – 388 с.
5. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.
Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.
источник
Жизненный цикл клетки — это весь период существования клетки (от деления до деления или от деления до смерти). Клеточный цикл состоит из митотического периода (М) и интерфазы (межмитотического периода). (Рис. 2-12). Интерфаза в свою очередь состоит из пресинтетического (G1), синтетического (S) и постсинтетического (G2) периодов. В пресинтетическом (постмитотическом, G1) периоде дочерняя клетка достигает размеров и структуры материнской, для чего в ней происходит биосинтез РНК и белков цитоплазмы и ядра. Кроме того, в ней синтезируются РНК и белки, необходимые для синтеза ДНК в следующем периоде. В синтетическом (S) периоде происходит удвоение (редупликация) ДНК и, соответственно, удваивается число хромосом (их количество становится тетраплоидным, 4n). В постсинтетическом (премитотическом, G2) периоде клетка готовится к митозу, в ней происходит синтез РНК и белков (тубулинов) веретена деления, накопление энергии, необходимой для митоза. Вышеописанный жизненный цикл характерен для популяции клеток, которые непрерывно делятся.
Рис. 2-12. Схема клеточного цикла. (По Э. Г. Улумбекову).
Кроме того, в организме есть клетки, которые временно или постоянно находятся вне митотического цикла (в G0 периоде). Этот период характеризуется как состояние репродуктивного покоя. Такие клетки можно разделить на три группы: 1) клетки, которые после деления длительно не меняют своих морфологических свойств и сохраняют способность к делению; это стволовые, камбиальные клетки (в эпителии, красном костном мозге); 2) клетки, которые после деления растут, дифференцируются, выполняют в органах специфические функции, но в случае необходимости (при повреждении данного органа) восстанавливают свою способность к размножению (клетки печени); 3) высокоспециализированные клетки, которые растут, дифференцируются, выполняют свои специфические функции и в таком состоянии существуют до смерти, никогда не делясь и постоянно находясь в G0 периоде (высоко специализированные клетки сердца и мозга). Продолжительность жизни этих клеток приближается к продолжительности жизни целого организма.
После появления, в результате деления молодые клетки растут и дифференцируются. Рост клетки означает увеличение размеров её цитоплазмы и ядра, увеличение числа органоидов. Дифференцировка подразумевает морфофункциональную специализацию клетки, т. е. увеличение числа определённых органелл общего назначения, или появление органоидов специального назначения, необходимых для выполнения клеткой специльных функций.
От нескольких дней до многих лет клетка выполняет свою определённую функцию в организме, а затем постепенно стареет и погибает.
Старение клеток связано с изнашиванием структур клеток в результате длительной, интенсивной работы, прежде всего, в связи с изменениями состояния генома и, как следствие, в связи со снижением интенсивности репликации ДНК, приводящем к угнетению биосинтеза белка. При этом популяция клеток может постепенно уменьшаться (нервные клетки, кардиомиоциты), или частично (клетки печени, почек, желез) или полностью (покровные эпителии) обновляться. При этом процесс обновления может идти очень быстро: полное обновление эпидермиса кожи происходит за 3-4 недели, а эпителия желудка и кишечника – за 3-5 дней. Длительность существования этих обновляющихся популяций равна продолжительности жизни организма.
При старении увеличивается объём клетки, нарушаются межклеточные контакты, уменьшается текучесть её мембран и интенсивность транспортных и обменных процессов. В результате повреждения рецепторов цитолеммы уменьшается возбудимость и реактивность клетки, дезорганизуется цитоскелет. Ядро клетки становится неровным, расширяется перинуклеарное пространство, увеличивается доля гетерохроматина. Митохондрии просветляются, в них уменьшается количество крист, наблюдается расширение цистерн эндоплазматической сети, уменьшение числа рибосом, происходит редукция комплекса Гольджи. Увеличивается число всех видов лизосом, включая остаточные тельца в которых накапливаются трудно перевариваемые вещества (например, пигмент старения липофусцин), уменьшается стабильность лизосомальных мембран, возрастает аутофагия. В результате клетка постепенно разрушается и ее остатки фагоцитируются макрофагами.
Смерть клетки. Различают две формы гибели клеток – некроз и апоптоз.
Некроз вызывается главным образом различными внешними факторами (химическими или физическими), которые нарушают проницаемость мембран и клеточную энергетику. В результате нарушается ионный состав клетки, происходит набухание мембранных органоидов, прекращается синтез АТФ, нуклеиновых кислот, белков, происходит деградация ДНК, активация лизосомных ферментов, что в итоге приводит к растворению, «самоперевариванию» клетки – лизису. Этот процесс преобладает при старении клетки (рис. 2-13А).
Апоптоз начинается с активации в ядре генов, ответственных за самоуничтожение клетки (генов запрограммированной гибели клетки). Программа такого самоуничтожения может включаться при воздействии на клетку сигнальных молекул или наоборот, прекращении действия регулирующего сигнала. Апоптоз широко распространён в эмбриогенезе, в процессе которого в организме образуется гораздо больше клеток, чем нужно для взрослого организма. Примером запрограммированной гибели клеток во взрослом организме является атрофия молочной железы после окончания лактации, гибель клеток жёлтого тела в конце менструального цикла. Процесс апоптоза значительно отличается от некроза. В начале апоптоза синтез РНК и белка не снижается, в цитоплазме клетки возрастает содержание ионов кальция, активируются эндонуклеазы, под действием которых происходит расщепление ДНК на нуклеосомные фрагменты. При этом хроматин конденсируется, образуя грубые скопления по периферии ядра. Затем ядра начинают фрагментироваться, распадаться на «микроядра», каждое из которых покрыто ядерной оболочкой. При этом цитоплазма также начинает фрагментироваться и от клетки отшнуровываются крупные фрагменты, часто содержащие «микроядра» –апоптические тельца (рис 2-13Б). При этом клетка как бы рассыпается на фрагменты, а апоптические тельца поглощаются фагоцитами или некротизируются и постепенно растворяются.
Рис. 2-13. Пути клеточной гибели. А. Некроз (лизис) клетки. Б. Апоптоз. (По Ю. И. Афанасьеву, Н. А. Юриной).
Красным флуоресцентным индикатором клетки подсвечиваются в фазу G1. Остальные фазы клеточного цикла — зеленым.
