Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 10 клас. Андерсон - Нова програма

§ 45. Клітинний цикл. Ріст і розвиток клітин

Що таке конденсація хроматину, хромосома, хроматида, центромера?

Як відбувається нестатеве розмноження?

За рахунок чого відбувається ріст?

Клітинний цикл. Ви вже знаєте, що розмноження та ріст організмів зумовлені поділом клітин.

Клітинний цикл - період існування клітини від початку одного поділу до наступного або від початку останнього поділу клітини до її смерті.

Клітинний цикл охоплює власне поділ та інтерфазу - період від утворення клітини до початку наступного поділу (рис. 208). В інтерфазі виокремлюють три періоди — пресинтетичний, синтетичний та постсинтетичний. Найтриваліший період - пресинтетичний, під час якого клітини ростуть, утворюють потрібні для життєдіяльності речовини, запасають енергію. У цей період збільшується кількість органел клітин. Важливим є синтетичний період, під час якого утворюються копії молекул ДНК клітини, тобто відбувається реплікація (рис. 209). У постсинтетичний період тривають накопичення енергії, синтез РНК й білків. Періоди, з яких складається інтерфаза, тривають до 90 % часу всього клітинного циклу.

Типи поділу клітин. Існують два головні типи клітинного поділу - мітоз та мейоз.

Мітоз - це спосіб поділу еукаріотичних клітин, за якого з однієї материнської клітини утворюються дві дочірні, що є її генетичними копіями. Він має чотири фази. Існує кілька варіацій цього процесу. Ми розглянемо найтиповішу для тварин (рис. 210).

Рис. 208. Клітинний цикл

Який період інтерфази триває найдовше?

Рис. 209. Подвоєння ДНК

Поясніть відмінність будови хромосом у різні періоди інтерфази.

Профаза. Починає конденсуватися хроматин, формуються Х-подібні хромосоми. Центріолі клітинного центру починають розходитися до протилежних полюсів клітини; формується веретено поділу. Ядерна оболонка розпадається на дрібні мембранні пухирці, зникають ядерця. Метафаза. Унаслідок формування веретена поділу кожна хромосома розташовується на однаковій відстані від клітинних центрів, тобто в серединній, «екваторіальній» площині клітини. Анафаза. Ця фаза є найкоротшою. Парні хроматиди, що утворюють хромосому, розділяються й починають рухатися за допомогою мікротрубочок веретена поділу до різних полюсів клітини. Оскільки хроматиди утворені однаковими молекулами ДНК, до кожного полюса клітини прямує по одній копії кожної молекули ДНК материнської клітини. Телофаза. У заключній фазі дочірні хромосоми, що складаються з однієї хроматиди, досягають двох полюсів клітини. Навколо них формується ядерна оболонка. Далі відбувається поділ цитоплазми та формування двох нових клітин (рис. 210).

Біологічне значення мітозу полягає в точному передаванні спадкової інформації від материнської клітини дочірнім. Це основний спосіб збільшення кількості клітин у багатоклітинних організмах.

Мейоз - тип клітинного поділу, за якого вдвічі зменшується число хромосом (кількість молекул ДНК). Унаслідок мейозу з диплоїдної клітини утворюються гаплоїдні клітини (рис. 211). На відміну від мітозу, мейоз передбачає не один, а два послідовні поділи клітини. В інтерфазі, що передує початку мейозу, як і у випадку мітозу, відбувається реплікація, тобто клітина вступає в мейоз із удвічі збільшеним набором ДНК. Кожен поділ мейозу має чотири фази, які є подібними до мітотичних, але мають низку відмінностей.

Перший поділ мейозу. Профаза І. Конденсується хроматин, формуються Х-подібні хромосоми, формується веретено поділу, руйнується ядерна оболонка. Важливою відмінністю профази І є процес, який називають кросинговером.

Рис. 210. Основні події мітотичного поділу

Схарактеризуйте основні етапи мітозу.

Гомологічні хромосоми наближаються одна до одної, після чого відбувається обмін подібними ділянками. Після кросинговеру гомологічні хромосоми з’єднані попарно. Метафаза І. В екваторіальній площині клітини розташовуються утворені в профазі І пари гомологічних хромосом. Анафаза І. На відміну від мітозу, до полюсів поділу розходяться не хроматиди, а цілі хромосоми. Телофаза І. Хромосоми досягають двох полюсів клітини, навколо них, як у мітозі, формується ядерна оболонка. Відбувається поділ цитоплазми й формуються дві нові клітини.

Другий поділ мейозу. Після завершення першого поділу дочірні клітини перебувають у короткому періоді спокою, після якого починається другий поділ. Важливим є те, що в цей час молекули ДНК не подвоюються. Другий поділ відбувається аналогічно мітозу. У результаті описаних процесів формуються чотири клітини з одинарним гаплоїдним набором хромосом (рис. 211). Біологічне значення мейозу полягає в зменшенні числа хромосом клітини, що необхідно для утворення статевих клітин. Рекомбінація ДНК під час кросинговеру урізноманітнює комбінації генів, що є одним з механізмів формування комбінативної мінливості.

Ріст та розвиток клітин. В одноклітинних організмів термін існування окремого організму збігається з клітинним циклом. У багатоклітинних організмів ситуація складніша. Кожен організм починає своє існування зі стадії однієї клітини - зиготи, що утворюється в результаті запліднення. Нащадки цієї клітини утворюють різноманіття клітин різного типу, що можуть входити до складу організмів. Наприклад, організм дорослої людини складається з 3,0-3,7х1013 клітин, які залежно від особливостей будови та функціонування поділяються на більш ніж 200 типів. Формування клітин того чи іншого клітинного типу називають диференціацією (рис. 212).

Рис. 211. Основні події мейозу

Поясніть, чому внаслідок мейозу кількість ДНК у дочірніх клітинах зменшується.

Рис. 212. Розподіл клітин різного типу в організмі людини

Поясніть значення диференціації клітин у багатоклітинних організмах.

Цей процес має генетичне підґрунтя: він пов’язаний з вибірковою активацією одних генів та інактивацією інших (§ 39). Регуляція диференціації відбувається за допомогою різноманітних регуляторних сполук - факторів росту, гормонів тощо. Вони ж впливають на інтенсивність росту та поділу клітин.

У багатоклітинному організмі не всі клітини здатні до поділу, частина з них зупиняється на стадії G1 і в цьому стані виконує свої функції. Оскільки клітини під час функціонування можуть накопичувати помилки та пошкодження, їхнє функціонування обмежено в часі. Деякі клітини оновлюються часто, наприклад, термін існування клітини епітелію кишечника людини становить 2-3 дні. Деякі ж існують до смерті організму, наприклад, більшість нейронів.

Загибель клітин. Іноді для розвитку організмів необхідна загибель певних клітин, зокрема, у такий спосіб у людини під час ембріонального розвитку формуються проміжки між пальцями кінцівок, а в пуголовків руйнується хвіст (рис. 213). Таку програмовану смерть клітин називають апоптозом (від гр. απόπτωσις - опадання, листопад). Деякі старі клітини також руйнуються шляхом апоптозу. Імунні клітини можуть запускати апоптоз інших клітин у разі, якщо ідентифікують наявність у них мутацій. В середньому в організмі дорослої людини щодня від 50 до 70 млрд. клітин гине шляхом апоптозу. У разі порушення цього процесу клітини, які мали загинути, можуть давати початок раковим пухлинам, про що детальніше ви дізнаєтеся в наступному параграфі. Цікаво, що онкогенна трансформація клітин може супроводжуватися втратою їхньої здатності до старіння та загибелі. Наприклад, лінія клітин HeLa, що їх часто використовують у лабораторних дослідженнях, отримана з ракової пухлини 1951 року. Усі клітини цієї лінії, використовувані в лабораторіях усього світу, є потомками вихідної клітинної колонії (рис. 214).

Рис. 213. Загибель деяких клітин є важливим елементом процесу розвитку організму

Поясніть значення зображених на рисунку процесів.

Рис. 214. Клітинна лінія HeLa дала можливість вивчити важливі процеси, пов’язані з онкогенезом і лікуванням раку

У якій фазі клітинного поділу перебувають ці клітини?

Підготуйте повідомлення про історію лінії HeLa.

1. Дайте означення понять клітинний цикл, мітоз, мейоз.

2. Порівняйте способи поділу клітин.

3. Поясніть біологічне значення мітозу та мейозу.

4. У яких випадках загибель клітин є нормальною, а в яких ні?