Жизненный цикл клетки. Характеристика интерфазы

Интерфаза занимает не менее 90% времени жизненного цикла клетки. Она включает три периода (рис. 27): постмитотический, или пресинтетический (G 1), синтетический (S), премитотический, или постсинтетический (G 2).

В клеточном цикле существуют так называемые «сверочные точки» (checkpoints), прохождение которых возможно лишь в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия поломок. Выделяют по меньшей мере четыре такие точки: точка в периоде G 1 , точка в периоде S, точка в периоде G 2 и «точка проверки сборки веретена деления» в митотическом периоде.

Постмитотический период. Постмитотический (пресинтетический, G 1) период начинается по завершении митотического деления клетки и длится от нескольких часов до нескольких дней. Он характеризуется интенсивным синтезом белка и РНК, увеличением количества органоидов посредством деления или самосборки и, вследствие этого, активным ростом, обусловливающим восстановление нормальных размеров клетки. В течение данного периода синтезируются так называемые «запускающие белки», являющиеся активаторами S-периода. Они обеспечивают достижение клеткой определённого порога (точки рестрикции R), после которого клетка вступает в S-период (рис. 28). Контроль в переходной точке R ограничивает возможность нерегулируемого размножения клеток. Пройдя точку R, клетка переключается на регуляцию внутренними факторами, что обеспечит её митотическое деление.

Клетка может не достигнуть точки R и выйти из клеточного цикла, вступив в период репродуктивного покоя (G 0). Причинами такого выхода могут быть: 1) необходимость дифференцироваться и выполнять специфические функции; 2) потребность преодолеть период неблагоприятных условий или вредных воздействий среды; 3) необходимость восстановить повреждённую ДНК. Из периода репродуктивного покоя (G 0) одни клетки могут возвращаться в клеточный цикл, а другие утрачивают эту способность в ходе дифференцировки. В связи с этим понадобился безопасный момент прекращения прохождения клеточного цикла, которым и стала точка R. Предполагается, что механизм регуляции клеточного роста, включающий специфическую точку R, мог возникнуть из-за условий существования или взаимодействия с другими клетками, требующими прекращения деления. Про клетки, остановленные в этом покоящемся состоянии, говорят, что они вступили в фазу G 0 клеточного цикла.

Синтетический период. Самоудвоение ДНК. Синтетический (S) период характеризуется удвоением (репликацией) молекул ДНК, а также синтезом белков, в первую очередь гистонов. Последние, поступая в ядро, участвуют в упаковке вновь синтезированной ДНК в нуклеосомную нить. Одновременно с удвоением количества ДНК происходит удвоение числа центриолей.

Способность ДНК к самовоспроизводству (самоудвоению) обеспечивает размножение живых организмов, развитие многоклеточного организма из оплодотворённой яйцеклетки, передачу наследственной информации из поколения в поколение. Процесс самовоспроизведения ДНК часто называют репликацией (редупликацией) ДНК.

Как известно, генетическая информация записана в цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырёх гетероциклических оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году модель строения ДНК в форме регулярной двойной спирали (рис. 29) позволила выяснить принцип удвоения ДНК. Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, так как каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности другой цепи. Это соответствие достигается благодаря наличию водородных связей между направленными навстречу друг другу основаниями двух цепей: Г-Ц или А-Т. Нетрудно представить, что удвоение ДНК происходит вследствие того, что цепи расходятся, а потом каждая цепь служит матрицей, на которой собирается комплементарная ей новая цепь ДНК. В результате образуются две дочерние двуспиральные, неотличимые по строению от материнской ДНК, молекулы. Каждая из них состоит из одной цепи исходной материнской молекулы ДНК и одной вновь синтезированной цепи (рис. 30). Такой механизм репликации ДНК, при котором от одного поколения к другому передаётся одна из двух цепей, составляющих материнскую молекулу ДНК, экспериментально доказан в 1958 году М. Мезельсоном и Ф. Сталем и получил название полуконсервативного. Синтез ДНК, наряду с этим, характеризуется также антипараллельностью и униполярностью. Каждая цепь ДНК имеет определённую ориентацию: один конец несёт гидроксильную группу (ОН), присоединённую к 3´-углероду (С 3) в дезоксирибозе, на другом конце цепи находится остаток фосфорной кислоты в 5´ (С 5) положении дезоксирибозы (рис. 30). Цепи одной молекулы ДНК различаются ориентировкой молекул дезоксирибозы: напротив 3´ (С 3) конца одной цепи находится 5´ (С 5) конец молекулы другой цепи.

ДНК-полимеразы. Ферменты, синтезирующие новые цепи ДНК, называются ДНК-полимеразами. Впервые ДНК-полимеразу обнаружил и описал у кишечной палочки А. Корнберг (1957). Затем ДНК-полимеразы выявили и в других организмах. Субстратами всех этих ферментов служат дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дНТФ), полимеризующиеся на одноцепочечной ДНК-матрице. ДНК-полимеразы последовательно наращивают цепь ДНК, шаг за шагом присоединяя к ней следующие звенья в направлении от 5´- к 3´-концу, причём выбор очередного нуклеотида определяется матрицей.

В клетках обычно присутствует несколько типов ДНК-полимераз, выполняющих различные функции и имеющих разное строение: они могут быть построены из различного (1-10) количества белковых цепей (субъединиц). Однако все они функционируют при любых последовательностях нуклеотидов матрицы, выполняя одну и ту же задачу - сборку точной копии матрицы. Синтез комплементарных цепей всегда ведётся униполярно, т.е. в 5´→3´ направлении. Поэтому в процессе репликации одновременный синтез новых цепей идёт антипараллельно. В отдельных случаях ДНК-полимеразы могут давать «задний ход», передвигаясь в направлении 3´→5´. Это происходит тогда, когда последнее добавленное при синтезе нуклеотидное звено оказалось некомплементарным нуклеотиду матричной цепи. При «заднем ходе» ДНК-полимеразы оно замещается комплементарным нуклеотидом. Отщепив несоответствующий принципу комплементарности нуклеотид, ДНК-полимераза продолжает синтез в 5´→3´ направлении. Такая способность к исправлению ошибок получила название корректорской функции фермента.

Точность репликации. Несмотря на огромные размеры, генетический материал живых организмов реплицируется с высокой точностью. В среднем в процессе воспроизведения генома млекопитающего, состоящего из ДНК длиной 3 млрд. пар нуклеотидов, возникает не более трёх ошибок. При этом ДНК синтезируется чрезвычайно быстро (скорость её полимеризации колеблется в пределах от 500 нуклеотидов в секунду у бактерий до
50 нуклеотидов в секунду у млекопитающих). Высокая точность репликации, наряду с её высокой скоростью, обеспечивается наличием специальных механизмов, устраняющих ошибки. Суть такого механизма коррекции заключается в том, что ДНК-полимеразы дважды проверяют соответствие каждого нуклеотида матрице: один раз перед включением его в состав растущей цепи и второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид. Очередная фосфодиэфирная связь синтезируется лишь в том случае, если последний (3´-концевой) нуклеотид растущей цепи ДНК образовал правильную (комплементарную) пару с соответствующим нуклеотидом матрицы. Если же на предыдущей стадии реакции произошло ошибочное соединение оснований, то дальнейшая полимеризация останавливается до тех пор, пока такое несоответствие не будет устранено. Для этого фермент перемещается в обратном направлении и вырезает последнее добавленное звено, после чего его место может занять правильный нуклеотид-предшественник. Следовательно, многие ДНК-полимеразы обладают, помимо 5´- 3´- синтетической активности, ещё и 3´-гидролизирующей активностью, которая обеспечивает удаление некомплементарных матрице нуклеотидов.

Инициация цепей ДНК. ДНК-полимеразы не могут начинать синтез ДНК на матрице, а способны только добавлять новые дезоксирибонуклеотидные звенья к 3´-концу уже имеющейся полинуклеотидной цепи. Такую заранее образованную цепь, к которой добавляются нуклеотиды, называютзатравкой. Короткую РНК-затравку синтезирует из рибонуклеозидтрифосфатов фермент ДНК-праймаза. Праймазной активностью может обладать либо отдельный фермент, либо одна из субъединиц ДНК-полимеразы. Затравка, синтезированная этим ферментом, отличается от остальной новосинтезированной цепи ДНК, поскольку состоит из рибонуклеотидов.

Размер рибонуклеотидной затравки (до 20 нуклеотидов) невелик в сравнении с размером цепи ДНК, образуемой ДНК-полимеразой. Выполнившая свою функцию РНК-затравка удаляется специальным ферментом, а образованная при этом брешь ликвидируется ДНК-полимеразой, использующей в качестве затравки 3´-ОН-конец соседнего фрагмента ДНК. Удаление крайних РНК-праймеров, комплементарных 3´-концам обеих цепей линейной материнской молекулы ДНК, приводит к тому, что дочерние цепи оказываются на 10-20 нуклеотидов короче (у разных видов размер РНК-затравок различен). В этом заключается так называемая проблема «недорепликации концов линейных молекул». В случае репликации кольцевых бактериальных ДНК этой проблемы не существует, так как первые по времени образования РНК-затравки удаляются ферментом, который
одновременно заполняет образующуюся брешь путём наращивания
3´-ОН-конца растущей цепи ДНК, направленной в «хвост» удаляемому праймеру. Проблема недорепликации 3´-концов линейных молекул ДНК решена у эукариот с участием фермента теломеразы.

Функции теломеразы. Теломераза (ДНК-нуклеотидилэкзотрансфераза, или теломерная терминальная трансфераза) была обнаружена в 1985 году у равноресничной инфузории, а впоследствии - в дрожжах, растениях и животных. Теломераза достраивает 3´-концы линейных молекул ДНК хромосом короткими (из 6-8 нуклеотидов) повторяющимися последовательностями (у позвоночных ТТАГГГ). Помимо белковой части теломераза содержит РНК, выполняющую роль матрицы для наращивания ДНК повторами. Наличие в молекуле РНК последовательности, определяющей матричный синтез отрезка цепи ДНК, позволяет отнести теломеразу к обратным транскриптазам, т.е. ферментам, способным вести синтез ДНК по матрице РНК.

В результате укорочения после каждой репликации дочерних цепей ДНК на размер первого РНК-праймера (10-20 нуклеотидов) образуются выступающие однонитевые 3´-концы материнских цепей. Они узнаются теломеразой, которая последовательно наращивает материнские цепи (у человека на сотни повторов), используя их 3´-ОН-концы в качестве затравок, а входящую в состав фермента РНК - в качестве матрицы. Образующиеся длинные одноцепочечные концы, в свою очередь, служат матрицами для синтеза дочерних цепей по обычному принципу комплементарности.

Постепенное укорочение ДНК клеточного ядра во время репликации послужило основанием для разработки одной из теорий «старения» клеток в ряду поколений (в клеточной колонии). Так, в 1971 году А.М. Оловников в своей теории маргинотомии предположил, что укорочение ДНК может ограничивать потенциал деления клеток. Это явление может рассматриваться, по мнению российского учёного, в качестве одного из объяснений установленного в начале 60-х годов ХХ века «лимита Хайфлика». Суть последнего, названного по имени автора - американского учёного Леонардо Хайфлика, заключается в следующем: клетки характеризуются ограничением возможного количества делений. В его опытах, в частности, клетки, взятые у новорождённых детей, делились в культуре тканей 80-90 раз, в то время как соматические клетки от 70-летних людей - только 20-30 раз.

Этапы и механизм репликации ДНК. Расплетание молекулы ДНК. Поскольку синтез дочерней цепи ДНК происходит на одноцепочечной матрице, ему должно предшествовать обязательное временное раз-
деление двух цепей ДНК (рис. 30). Исследования, проведённые в начале
60-х годов на реплицирующихся хромосомах, позволили выявить особую, чётко ограниченную область репликации (местного расхождения двух её цепей), перемещающуюся вдоль родительской спирали ДНК. Эта область, в которой ДНК-полимеразы синтезируют дочерние молекулы ДНК, из-за своей Y-образной формы была названа репликационной вилкой. С помощью электронного микроскопирования реплицирующейся ДНК удалось установить, что реплицированная область имеет вид глазка внутри нереплицированной ДНК. Репликационный глазок образуется только в местах нахождения специфических нуклеотидных последовательностей. Эти последовательности, получившие название точек начала репликации, состоят приблизительно из 300 нуклеотидов. Последовательное движение репликационной вилки приводит к расширению глазка.

Двойная спираль ДНК весьма стабильна: для того, чтобы она расплеталась, необходимы особые белки. Специальные ферменты ДНК-хеликазы, используя энергию гидролиза АТФ, быстро перемещаются по одиночной цепи ДНК. Встречая на пути участок двойной спирали, они разрушают водородные связи между основаниями, разделяют цепи и продвигают репликационную вилку. Вслед за этим с одиночными цепями ДНК связываются специальные дестабилизирующие спираль белки, которые не позволяют одиночным цепям ДНК сомкнуться. При этом они не закрывают оснований ДНК, оставляя их доступными для последующего соединения с комплементарными основаниями.

В связи с тем, что комплементарные цепи ДНК закручены в спираль, для того, чтобы репликационная вилка могла продвигаться вперёд, неудвоенная часть ДНК должна очень быстро вращаться. Эта топологическая проблема решена путём образования в спирали своеобразных «шарниров», позволяющих цепям ДНК раскручиваться. Особые белки, называемые ДНК-топоизомеразами, вносят в цепь ДНК одно- или двухцепочечные разрывы, позволяющие цепям ДНК разделиться, а затем ликвидируют эти разрывы. Топоизомеразы участвуют также в расцеплении зацепленных двухцепочечных колец, образующихся при репликации кольцевых двухцепочечных ДНК. С помощью этих ферментов двойная спираль ДНК в клетке может принимать «недокрученную» форму с меньшим числом витков, что облегчает расхождение двух цепей ДНК в репликационной вилке.

Прерывистый синтез ДНК. Репликация ДНК предполагает, что по мере перемещения репликационной вилки будет происходить непрерывное прирастание нуклеотид за нуклеотидом обеих новых (дочерних) цепей. При этом, поскольку две цепи в спирали ДНК антипараллельны, одна из дочерних цепей должна была бы расти в направлении 5´-3´, а другая - в направлении 3´-5´. В действительности, однако, оказалось, что дочерние цепи растут только в направлении 5´-3´, т.е. всегда удлиняется 3´-конец затравки. Это, на первый взгляд, противоречит уже отмеченному факту, что движение репликационной вилки, сопровождающееся одновременным считыванием двух антипараллельных нитей, осуществляется в одном направлении. Однако в действительности синтез ДНК происходит непрерывно толь-
ко на одной из матричных цепей. На второй матричной цепи ДНК
синтезируется сравнительно короткими фрагментами (длиной от 100 до
1000 нуклеотидов в зависимости от вида), названными по имени обнаружившего их учёного фрагментами Оказаки. Вновь образованная цепь, которая синтезируется непрерывно, названа ведущей, а другая, собираемая из фрагментов Оказаки - отстающей цепью. Синтез каждого из этих фрагментов начинается с РНК-затравки. Через некоторое время РНК-затравки удаляются, бреши застраиваются ДНК-полимеразой и фрагменты сшиваются в одну непрерывную цепь специальным фрагментом ДНК-лигазой.

Взаимодействие белков и ферментов репликационной вилки. Из вышеизложенного может создаться впечатление, что отдельные белки функционируют в репликации независимо друг от друга. В действительности большая часть этих белков объединена в комплекс, быстро продвигающийся вдоль ДНК и согласованно с высокой точностью осуществляющий процесс репликации. Этот комплекс сравнивают с крошечной «швейной машиной»: его «деталями» служат отдельные белки, а источником энергии - реакция гидролиза нуклеозидтрифосфатов. Спираль ДНК расплетается ДНК-хеликазой. Этому процессу помогают ДНК-топоизомераза, раскручивающая цепи ДНК, и множество молекул дестабилизирующего белка, связывающихся с обеими одиночными цепями ДНК. В области вилки на ведущей и отстающей цепях действуют две ДНК-полимеразы. На ведущей цепи ДНК-полимераза работает непрерывно, а на отстающей фермент время от времени прерывает и вновь возобновляет свою работу, используя короткие РНК-затравки, синтезируемые ДНК-праймазой. Молекула ДНК-праймазы непосредственно связана с ДНК-хеликазой, образуя структуру, называемуюпраймосомой. Праймосома движется в направлении раскрывания репликационной вилки и по ходу движения синтезирует РНК-затравку для фрагментов Оказаки. В этом же направлении движется ДНК-полимераза ведущей цепи и, хотя на первый взгляд это трудно представить - ДНК-полимераза отстающей цепи. Для этого, как полагают, последняя накладывает цепь ДНК, которая служит ей матрицей, саму на себя, что и обеспечивает разворот ДНК-полимеразы отстающей цепи на 180 градусов. Согласованное движение двух ДНК-полимераз обеспечивает координированную репликацию обеих нитей. Таким образом, в репликационной вилке одновременно работают около двадцати разных белков (из которых упомянута только часть), осуществляя сложный, высокоупорядоченный и энергоёмкий процесс репликации ДНК.

Согласованность механизмов репликации ДНК и клеточного деления. В эукариотической клетке перед каждым делением должны синтезироваться копии всех её хромосом. Репликация ДНК эукариотической хромосомы осуществляется посредством разделения хромосомы на множество отдельных репликонов. Такие репликоны активируются не одновременно, однако клеточному делению должна предшествовать обязательная однократная репликация каждого из них. Как оказалось, по хромосоме эукариот в каждый момент времени может перемещаться независимо друг от друга множество репликационных вилок. Остановка продвижения вилки происходит только при столкновении с другой вилкой, движущейся в противоположном направлении, или по достижении конца хромосомы. В результате в короткий срок вся ДНК хромосомы оказывается реплицированной. При этом блоки конденсированного гетерохроматина, в том числе участки ДНК вблизи центромеры, реплицируются в самом конце S-периода, как и неактивная Х-хромосома млекопитающих, конденсированная (в отличие от активной Х-хромосомы) целиком в гетерохроматин. Вероятнее всего первыми реплицируются те области кариотипа, в которых хроматин наименее конденсирован, а следовательно, наиболее доступен для белков и ферментов репликационной вилки. После упаковки молекулы ДНК хромосомными белками каждая пара хромосом в процессе митоза упорядоченно разделяется между дочерними клетками.

Премитотический период. Премитотический (постсинтетический, G 2) период начинается по завершении синтетического периода и продолжается до наступления митоза (рис. 27). Он включает процессы непосредственной подготовки клетки к делению: запасание энергии в АТФ, созревание центриолей, синтез иРНК и белков (в первую очередь тубулина). Продолжительность премитотического периода составляет 2-4 часа (10-20% длительности жизненного цикла). Переход клетки из G 2 -периода в G 0 -период, по мнению большинства учёных, невозможен.

Вступление клетки в митоз контролируется двумя факторами:
М-задерживающий фактор препятствует вступлению клетки в митоз до завершения репликации ДНК, а М-стимулирующий фактор индуцирует митотическое деление клетки в присутствии белков-циклинов, которые синтезируются на протяжении всего жизненного цикла клетки и распадаются в ходе митоза.

Митотический период. Митотический период характеризуется протеканием митотического (непрямого) деления клетки, включающего деление ядра (кариокинез) и разделение цитоплазмы (цитокинез). Митоз, занимающий 5-10% времени жизненного цикла и продолжающийся, например, в животной клетке 1-2 часа, подразделяется на четыре основные фазы (рис. 27): профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Профаза является самой продолжительной фазой митоза. Она начинается процессом конденсации хромосом (рис. 31), которые обретают, при рассмотрении в световой микроскоп, вид тёмных нитевидных образований. При этом каждая хромосома состоит из двух хроматид, расположенных параллельно и соединенных между собой в области центромеры. Одновременно с конденсацией хромосом происходит диспергация, или распыление ядрышек, которые перестают быть видимыми в световой микроскоп, что связано с вхождением ядрышковых организаторов в состав различных пар хромосом. Соответствующие гены, кодирующие р-РНК, инактивируются.

С середины профазы начинает разрушаться кариолемма, распадаясь на фрагменты, а затем на мелкие мембранные пузырьки. Гранулярная эндоплазматическая сеть распадается на короткие цистерны и вакуоли, на мембранах которых резко уменьшается количество рибосом. Примерно на четверть уменьшается число полисом, локализованных как на мембранах, так и в гиалоплазме клетки. Такие изменения приводят к резкому падению уровня синтеза белка в делящейся клетке.

Важнейшим процессом профазы являетсяформирование митотического веретена. Репродуцировавшиеся ещё в S-периоде центриоли начинают расходиться к противоположным концам клетки, где впоследствии сформируются полюсы веретена. К каждому полюсу перемещается диплосома (две центриоли). Одновременно формируются микротрубочки, отходящие от одной центриоли каждой диплосомы (рис. 32). Формирующееся в результате этого образование имеет в животной клетке веретеновидную форму, в связи с чем получило название «веретена деления» клетки. Оно состоит из трёх зон: двух зон центросфер с центриолями внутри них и

располагающейся между ними зоны нитей веретена деления. Все три зоны содержат большое количество микротрубочек. Последние входят в состав центросфер, располагаясь вокруг центриолей, формируют нити ве

ретена, а также подходят к центромерам хромосом (рис. 33). Микротрубочки, тянущиеся от одного полюса к другому (не прикрепляющиеся к центромерам хромосом), получили название полюсных микротрубочек. Микротрубочки, отходящие от кинетохо ров (центромер) каждой хромосомы к полюсу веретена, названы кинетохорными микротрубочками (нитями). Входящие в состав центросфер и лежащие вне веретена деления микротрубочки, ориентированные от центриолей к плазмолемме названы астральными микротрубочками, или микротрубочками сияния (рис. 33). Все микротрубочки веретена находятся в динамическом равновесии между сборкой и разборкой. При этом около 10 8 молекул тубулина организованы в микротрубочки. Центромеры (кинетохоры) сами способны индуцировать сборку микротрубочек. Следовательно, центриоли и хромосомные центромеры являются в животной клетке центрами организации микротрубочек веретена деления. В индукции роста микротрубочек в зоне полюса деления принимает участие только одна (материнская) центриоль.

Метафаза занимает около трети времени всего митоза. В течение этой фазы заканчивается образование веретена деления и достигается максимальный уровень конденсации хромосом. Последние выстраиваются в области экватора митотического веретена (рис. 31, 34), формируя так называемую «метафазную (экваториальную) пластинку» (вид сбоку) или «материнскую звезду» (вид со стороны полюса клетки). Хромосомы удерживаются в экваториальной плоскости благодаря сбалансированному натяжению центромерных (кинетохорных) микротрубочек. К концу метафазы завершается обособление сестринских хроматид: их плечи лежат параллельно друг другу, а между ними видна разделяющая их щель. Последним местом контакта между хроматидами остаётся центромера.

Анафаза является самой короткой фазой, занимающей лишь несколько процентов времени митоза. Она начинается утратой связи между сестринскими хроматидами в области центромер и движением хро-
матид (дочерних хромосом) к противоположным полюсам клетки
(рис. 31, 34). Скорость перемещения хроматид вдоль трубочек веретена составляет 0,2-0,5 мкм/мин. Инициирует начало анафазы резкое повышение концентрации ионов Са 2+ в гиалоплазме, выделяемых скопившимися у полюсов веретена мембранными пузырьками.

Движение хромосом складывается из двух процессов: расхождения их по направлению к полюсам и дополнительного расхождения самих полюсов. Предположения о сокращении (саморазборке) микротрубочек как о механизме расхождения хромосом в митозе не подтвердились. Поэтому многие исследователи поддерживают гипотезу «скользящих нитей», согласно которой соседние микротрубочки, взаимодействуя друг с другом (например, хромосомные и полюсные) и с сократительными белками (миозин, динеин), тянут хромосомы к полюсам.

Анафаза завершается скоплением на полюсах клетки по одному, идентичному друг другу, набору хромосом, формирующему так называемую «дочернюю звезду». В конце анафазы в животной клетке начинает образовываться клеточная перетяжка, углубляющаяся в следующей фазе и приводящая к цитотомии (цитокинезу). В её образовании участвуют актиновые миофиламенты, концентрирующиеся по окружности клетки в виде «сократимого кольца».

В телофазе - конечной стадии митоза - вокруг каждой полюсной группы хромосом (дочерние звёзды) образуется ядерная оболочка: фрагменты кариолеммы (мембранные пузырьки) связываются с поверхностью отдельных хромосом, частично окружают каждую из них и только после этого сливаются, образуя полную ядерную оболочку (рис. 31, 34). После восстановления ядерной оболочки возобновляется синтез РНК, из соответствующих участков (ядрышковых организаторов) хромосом оформляется ядрышко и деконденсируется хроматин, переходя в типичное для интерфазы дисперсное состояние.

Ядра клеток постепенно увеличиваются, а хромосомы прогрессивно деспирализуются и исчезают. Одновременно углубляется клеточная перетяжка, а соединяющий их цитоплазматический мостик с пучком микротрубочек внутри сужается (рис. 31). Последующая перешнуровка цитоплазмы завершает разделение цитоплазмы (цитокинез). Равномерному разделению органелл между дочерними клетками способствует их большое количество в клетке (митохондрии) либо распад во время митоза на мелкие фрагменты и мембранные пузырьки.

При повреждении веретена деления может происходить атипический митоз, ведущий к неравномерному распределению генетического материала между клетками (анэуплоидия). Отдельные атипические митозы, при которых цитотомия отсутствует, завершаются образованием гигантских клеток. Атипичные митозы свойственны обычно клеткам злокачественных опухолей и облучённых тканей.

Длится 1-2 часа. Большая часть компонентов клетки синтезируется на протяжении всей интерфазы, это затрудняет выделение в ней отдельных стадий (Pardee, 1978 ; Yanishevsky, 1981). Однако в интерфазе выделяют фазу G{ l1}l , фазу S и фазу G{ l2}l . Период интерфазы, когда происходит репликация ДНК клеточного ядра, был назван "фаза S " (от слова synthesis).

Период между фазой М и началом фазы S обозначен как фаза G{l1}l (от слова gap - промежуток), а период между концом фазы S и последующей фазой М - как фаза G{ l2}l. Во время G{l1}l-фазы возобновляются интенсивные биосинтетические процессы, резко замедленные во время клеточного деления.

Фаза G{ l2}l нужна для подготовки клеток к митозу (Johnson, 1970; ; Bradbury, 1974 ; Isenberg, 1979) . См. далее Клетка: фаза G{l2}l

Длительность митотического цикла варьирует у разных организмов в широких пределах. Самые короткие клеточные циклы обнаружены у дробящихся яиц некоторых животных. Например, у золотой рыбки первые деления дробления совершаются через 20 мин (подробнее об этом в разделе индивидуальное развитие). Довольно распространены митотические циклы длительностью 18-20 ч. Встречаются циклы, которые продолжаются несколько суток. Время от деления до деления клеток может значительно отличаться в пределах одного и того же организма. Так, при изучении длительности клеточных циклов эпителиальных клеток мыши выяснилось, что в двенадцатиперстной кишке эпителиальные клетки делятся каждые 11 ч, в тощей кишке - примерно через 19 ч, в роговице глаза - через 3 суток, а в кожном эпителии от деления до деления проходит больше 24 суток. Время, которое клетка тратит непосредственно на деление, составляет обычно 1-3 ч (эмбриональные митозы много короче). Таким образом, основную часть жизни клетки находятся в интерфазе. Название этой стадии возникло еще в прошлом веке, когда о деятельности клеток могли судить только по изменениям их морфологии, так как единственным инструментом исследования был световой микроскоп. Поскольку заметные морфологические изменения клеток происходили во время деления, то к ним и было приковано внимание биологов, а период между делениями получил название промежуточного (лат. inter - между) или фазы покоя. Благодаря появлению современных методов изучения клетки - электронной микроскопии , авторадиографии , возможности измерять содержание различных внутриклеточных веществ - удалось установить, что в интерфазе происходят важнейшие события клеточной жизни, в частности удвоение хромосом.

Обычно интерфазу подразделяют на три периода: пресинтетический, синтетический и постсинтетический. Пресинтетический (Gi) период (англ. gap - интервал) следует непосредственно за делением. Как правило, это самый длительный период интерфазы ( рис. 61). В клетках эукариот он продолжается от 10 ч до нескольких суток. Во время него происходит подготовка клетки к удвоению хромосом: синтезируется РНК, образуются различные белки, в частности необходимые для образования предшественников ДНК. При этом увеличивается количество рибосом и поверхность шероховатой эндоплазматической сети, растет число митохондрий. Все это приводит к тому, что клетка интенсивно растет. В синтетическом (S) периоде продолжается синтез РНК и белков и одновременно происходит удвоение хромосом, в основе которого лежит процесс репликации ДНК .

Вновь синтезированная ДНК сразу же соединяется с хромосомными белками . Синтез ДНК продолжается несколько часов, обычно 6-10. По его окончании каждая хромосома оказывается удвоенной - состоящей из двух сестринских хроматид. В генетическом отношении хроматиды полностью идентичны друг другу, так как их ДНК состоит из одной материнской и второй вновь синтезированной цепи. Сестринские хроматиды тесно сближены и соединены в том районе хромосомы, который обеспечивает ее движение при делении клетки. Он называется центромерным районом хромосомы ( рис. 62 , рис. 63).

После полного удвоения хромосом наступает постсинтетический период (G2) . В это время клетка готовится к делению: синтезируются белки микротрубочек , которые во время митоза будут формировать веретено деления, запасается энергия. Продолжительность G2-периода меньше, чем у S- и Gi-периодов, и обычно составляет 3-6 ч.

Клетки не возникают сами по себе, а образуются только при делении других.

Клеточный цикл представляет собой совокупность процессов, происходящих в клетке при подготовке ее к делению и во время собственно деления, в результате чего материнская клетка делится на две дочерние. В цикле выделяют две фазы: автосинтетическую, или интерфазу (подготовка клетки к делению), включающую пресинтетический (G:, англ. gap - промежуток), синтетический (S) и постсинтетический (G2) периоды, и деление клетки - митоз.

Интерфаза - последовательность событий, подготавливающих митоз . Весьма важным в интерфазе является матричный синтез ДНК и удвоение хромосом - S-фаза. Промежуток между делением и наступлением S-фазы называется фазой Gt (пост- митотическая, или пресинтетическая, фаза), а между S-фазой и митозом - фазой G2 (постсинтетическая, или премитотическая, фаза). В течение фазы G: клетка диплоидна, в течение фазы S плоидность возрастает до четырех, в фазе G2 клетка тетраплоидна. В интерфазе удваивается масса клетки и всех ее компонентов, а также происходит удвоение центриолей.

В течение пресинтетической фазы в клетке уже усилены биосинтетические процессы и происходит подготовка к удвоению ДНК. При этом развиваются преимущественно те органеллы, которые необходимы для синтеза ферментов, обеспечивающих, в свою очередь, предстоящее удвоение ДНК (прежде всего это рибосомы). На материнской центриоли клеточного центра увеличивается количество сателлитов. Фаза G: длится от нескольких часов до суток и более.

Репликация (лат. replicatio - повторение) - это процесс передачи генетической информации, хранящейся в родительской ДНК, путем точного ее воспроизведения в дочерней клетке. При этом каждая родительская цепь ДНК является матрицей для синтеза дочерней (матричный синтез ДНК).

Репликация основана на комплементарном спаривании оснований. Вначале в одной точке ДНК обе ее цепи расходятся, образуя асимметричную репликационную «вилку». Фермент ДНК- полимераза катализирует процесс полимеризации нуклеотидов только в направлении 5" ® 3". Напомним, что обе цепи ДНК антипараллельны, поэтому синтез одной из дочерних цепей происходит непрерывно (лидирующая цепь), другой (отстающей) - в виде отдельных фрагментов размерами 10 - 200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Впоследствии эти фрагменты соединяются под действием фермента ДНК-лигазы.

Репликация начинается от середины каждого плеча, от участка, называемого сайтом инициации репликации. Распространяясь к теломерам, репликация доходит до них и останавливается. Двигаясь к середине хромосомы, репликация доходит до центромеры и тоже останавливается, однако центромерная область не удваивается. В результате каждая хромосома имеет теперь две цепи ДНК. Каждая цепь с окружающими их белками образует сестринские хроматиды. S-фаза длится 8-12 часов.

В каждой хромосоме во время S-периода образуются группы репликационных «вилок» (20 - 80), которые возникают одновременно у всех хромосом. При этом «вилки» расположены парами, которые движутся в противоположных направлениях до тех пор, пока не встретят соседнюю «вилку», так что образуются две дочерние спирали. В результате репликации каждая из двух дочерних молекул ДНК состоит из одной старой и одной новой цепи.

В цитоплазме в течение S-фазы удваиваются не только цепи ДНК, но и каждая из центриолей клеточного центра.

В течение премитотической фазы G2 совершаются синтезы, необходимые для обеспечения непосредственно процесса деления. Количество ДНК и центриолей в клетке уже удвоено. Фаза G2 продолжается до 6 часов.

Среди всех интересных и достаточно сложных тем в биологии стоит выделить два процесса деления клеток в организме – мейоз и митоз . Сначала может показаться, что эти процессы одинаковые, поскольку в обоих случаях происходит деление клеток, но на самом деле между ними существует большая разница. В первую очередь, нужно разобраться с митозом. Что этот процесс из себя представляет, что такое интерфаза митоза и какую роль они играют в человеческом организме? Подробнее об этом и пойдет речь в данной статье.

Сложный биологический процесс, который сопровождается делением клеток и распределением хромосом между этими клетками – все это можно сказать о митозе. Благодаря ему, между дочерними клетками организма равномерно распределяются хромосомы, в которых содержится ДНК.

Существует 4 основные фазы процесса митоза. Все они связаны между собой, поскольку фазы плавно переходят из одной на другую. Распространенность митоза в природе обусловлена тем, что именно он участвует в процессе деления всех клеток, среди которых мышечные, нервные и так далее.

Коротко об интерфазе

Перед попаданием в состояние митоза клетка, которая разделяется, переходит в период интерфазы, то есть растет. Длительность интерфазы может занимать более 90% всего времени активности клетки в обычном режиме .

Интерфаза делится на 3 основных периода:

фаза G1;
S-фаза;
фаза G2.

Все они проходят в определенной последовательности. Рассмотрим каждую из этих фаз отдельно.

Интерфаза — основные составляющие (формула)

Фаза G1

Этот период характеризуется подготовкой клетки к делению. Она увеличивается в объемах для дальнейшей фазы синтеза ДНК.

S-фаза

Это следующий этап в процессе интерфазы, при котором происходит деление клеток организма. Как правило, синтез большей части клеток происходит на небольшой промежуток времени. После деления клетки не увеличиваются в размерах, а начинается последняя фаза.

Фаза G2

Финальный этап интерфазы, на протяжении которого клетки продолжают синтезировать белки, увеличиваясь при этом в размерах. В этот период в клетке по-прежнему есть нуклеолы. Также в последней части интерфазы происходит дублирование хромосом, а поверхность ядра в это время покрывается специальной оболочкой, имеющей защитную функцию.

На заметку! По завершению третьей фазы наступает митоз. Он тоже включает в себя несколько стадий, после которых происходит деление клетки (этот процесс в медицине называется цитокинезом).

Стадии митоза

Как уже отмечалось ранее, митоз делится на 4 стадии, но иногда их может быть и больше. Ниже представлены основные из них.

Таблица. Описание основных фаз митоза.

Название фазы, фото	Описание
	Во время профазы происходит спирализация хромосом, в результате чего они принимают скрученную форму (она более компактная). Останавливаются все синтетические процессы в клетке организма, поэтому рибосомы уже не вырабатываются.
	Многие специалисты не выделяют прометафазу как отдельную фазу митоза. Нередко все процессы, которые в ней происходят, относят к профазе. В этот период цитоплазма окутывает хромосомы, которые свободно перемещаются по клетке до определенного момента.
	Следующая фаза митоза, которая сопровождается распределением на экваториальной плоскости конденсированных хромосом. В этот период происходит обновление микротрубочек на постоянной основе. При метафазе хромосомы расположены так, что их кинетохоры находятся в ином направлении, то есть направлены к противоположным полюсам.
	Данная фаза митоза сопровождается отделением хроматид каждой из хромосом друг от друга. Нарастание микротрубочек прекращается, они теперь начинают разбираться. Анафаза длится недолго, но за этот промежуток времени клетки успевают разойтись ближе к разным полюсам в примерно равном количестве.
	Это последняя стадия, на протяжении которой начинается деконденсация хромосом. Эукариотические клетки завершают свое деление, а вокруг каждого набора хромосом человека образовывается специальная оболочка. При сокращении сократительного кольца происходит разделение цитоплазмы (в медицине этот процесс называется цитотомией).

Важно! Длительность полного процесса митоза, как правило, составляет не больше 1,5-2 часов. Продолжительность может меняться в зависимости от вида разделяемой клетки. Также на длительность процесса влияют и внешние факторы, такие как световой режим, температура и так далее.

Какую биологическую роль играет митоз?

Теперь попробуем разобраться с особенностями митоза и его важностью в биологическом цикле. В первую очередь, он обеспечивает многие процессы жизнедеятельности организма, среди которых – эмбриональное развитие .

Также митоз отвечает за восстановление тканей и внутренних органов организма после различных видов повреждения, в результате чего происходит регенерация. В процессе функционирования клетки постепенно отмирают, но с помощью митоза структурная целостность тканей постоянно поддерживается.

Митоз обеспечивает сохранение определенного количества хромосом (оно соответствует числу хромосом в материнской клетке).

Видео – Особенности и виды митоза

1 ) постмитотический (пресинтетический) – q 1 (G 1) – от 10 часов до нескольких суток. Следует вслед за делением. В молодых дочерних клетках наблюдается высокая интенсивность процессов транскрипции, формирование синтетического аппарата клетки – увеличение количества рибосом, различных видов РНК (рРНК, мРНК, иРНК). Усиление синтеза белка, синтезируются структурные и функциональные белки, интенсивный клеточный метаболизм, контролируемый ферментами, рост клетки, образование и восстановление необходимого числа органоидов

2 ) синтетический – S - 6 – 10 часов; Значительным событием является удвоение (редупликация ДНК), что приводит к удвоению плоидности (содержание ДНК удваивается) диплоидных ядер (хромосомы становятся двухроматидными) и является обязательным условием для последующего митотического деления клеток. Происходит также синтез РНК, гистоновых белков, продолжается рост клетки.

3 ) постсинтетический (премитотический ) q 2 (G 2) – 2 – 5 часов. Продолжается синтез РНК, всех белков, особенно ядерных, а также белка тубулина необходимого для формирования ахроматинового веретена митотического аппарата, образующегося в профазе митоза и мейоза. Происходит накопление питательных веществ, энергии, синтез АТФ. Деление митохондрий, хлоропластов, репликация центриолей и начало образования веретена деления. В конце этого периода клетка переходит к профазе митоза.

Главные события митотического цикла:

1) редупликация самоудвоение наследственного материала (синтетический период)

2) равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками (анафаза митоза – распределение хроматид – дочерних хромосом.)

Соотношение количества днк (с) и хромосом (n) в митотическом цикле:

МИТОЗ: 1) Профаза 2п 4с, 2) Метафаза 2п 4с, 3) Анафаза 4п 4с (однохроматидные дочерние хромосомы), 4) Телофаза 2п 2с (однохроматидные дочерние хромосомы)

ИНТЕРФАЗА : 1) Постмитотический период 2п 2с (однохроматидные дочерние-сестринские хромосомы)

2) Синтетический период 2п 4с, 3) Постсинтетический период 2п 4с (двухроматидных материнские хромосомы)

Обратить внимание, что хроматида содержит одну молекулу ДНК (с).

Образование сестринской

хроматиды

Хромосома интерфазного ядра

Схема митотического цикла

Жизненный цикл клеток (клеточный цикл) – это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти. Обязательным компонентом жизненного цикла, является митотический цикл. Многие клетки выходят из митотического цикла на путь специализации, дифференцируются, выполняют определённые функции и их жизнь заканчивается смертью. Однако некоторые дифференцированные клетки (эпителиальные, соединительно-тканные) при определённых условиях переходят к подготовке к митозу и самому митозу. У таких клеток жизненный цикл продолжительнее митотического. Для разных типов клеток жизненный цикл различен.В некоторых клетках отсутствуют те или иные фазы митотического цикла. Часть клеток выходят из митотического цикла на путь дифференцировки и специализации, их пресинтетический период удлиняется. У нервных клеток этот период продолжается в течение всей жизни организма, и они не делятся, поэтому жизненный цикл таких клеток, например, нервных, не совпадает с митотическим циклом. Клетки, образующие обновляющиеся клеточные популяции постоянно делятся, проходя митоз и интерфазу, имеют клеточный цикл, совпадающий с митотическим циклом это, например эмбриональные клетки, ростовые базального слоя кожи, клетки образовательной ткани растений (кончик корня, стебля, камбий), регенерирующие клетки, клетки семенников.