Клітинний цикл та його періоди – інтерфаза

У житті клітини розрізняють життєвий цикл і клітинний цикл. Життєвий цикл значно довший. Це тривалість від утворення клітини внаслідок поділу материнської клітини і до наступного поділу або до смерті клітини. Впродовж життя клітини ростуть, диференціюються, виконують специфічні функції.

Клітинний цикл значно коротший. Це власне процес підготовки до поділу (інтерфаза) і сам поділ (мітоз). Тому цей цикл називають ще мітотичним. Така періодизація (на життєвий і мітотичний цикл) досить умовна, бо життя клітини безперервний, неподільний процес. Так, в ембріональний період, коли клітини швидко діляться, життєвий цикл збігається з клітинним (мітотичним). Після диференціювання клітин, коли кожна з них виконує специфічну функцію, життєвий цикл триваліший мітотичного.

Клітинний цикл складається з чотирьох періодів: пресинтетичного (G₁), синтезу ДНК (S), післясинтетичного (G₂) і мітозу. Тривалість клітинного циклу в різних організмів різна.

Три перших періоди відносяться до так званої інтерфази (підготовка клітини до поділу) або періоду відносного спокою. Інтерфаза (від лат. inter – між і грец.φάσις – поява), інтермітоз, між мітотичний період, стадія спокою, метаболічна стадія – проміжок між двома черговими мітотичними поділами клітин. Це період найбільш активних метаболічних (обмінних) процесів. Ядро має гомогенний вигляд, вся його порожнина заповнена тонкою сіткою, яка складається із переплетених між собою досить довгих і тонких ниток – хромонем. Ядро специфічної форми, оточене двошаровою ядерною мембраною з порами діаметром близько 40 мкм.

В інтерфазному ядрі реалізується спадкова інформація клітини, проходить підготовка до поділу. Пресинтетичний період (G₁ – від англ. gap – інтервал) настає зразу за поділом. Тут відбуваються такі біохімічні процеси: синтез макромолекулярних сполук, необхідних для побудови хромосом і ахроматинового апарату (ДНК, РНК, гістонів та інших білків), зростає кількість рибосом і мітохондрій, накопичення енергетичного матеріалу здійснення структурних перебудов і складних рухів під час поділу. Клітина інтенсивно росте і може виконувати свою функцію. Набір генетичного матеріалу буде 2n2c.

У синтетичному періоді (S) подвоюється ДНК, кожна хромосома внаслідок реплікації створює собі подібну структуру. Проходить синтез РНК і білків, мітотичного апарату і точне подвоєння центріолей. Вони розходяться в різні боки, утворюючи два полюси. Набір генетичного матеріалу складає 2n4c.

Далі настає післясинтетичний період (G₂) – клітина запасає енергію, ДНК знову не синтезується. Синтезуються білки ахроматинового веретена, іде підготовка клітини до поділу. Генетичний матеріал складає 2n4c.

Після досягнення клітиною певного стану (накопичення білків, подвоєння кількості ДНК та ін.) вона готова до поділу – мітозу.

Мітоз

Мітотичний поділ клітин завжди відбувається при рості організмів і безстате­вому розмноженні. Мітозом діляться соматичні клітини, у результаті чого дочірні клі­тини отримують точно такий набір хромосом, який мала материнська клітина. Мітоз настає після інтерфази й умовно поділяється на такі фази: 1)профаза, 2) метафаза, 3) анафаза, 4) телофаза. На рис. 30 наведена загальна схема різних фаз мітозу.

Профаза (від грец. πρό – перед і φάσις – прояв) – перша (початкова) фаза мітотичного і мейотичного поділу клітин. Під час профази відбувається поляризація клітин шляхом розходження центріолей до протилежних кінців клітини й утворенням між центріолями веретена поділу клітин. Ядро зростає в розмірах, і з хроматинової сітки в результаті спіралізації вкорочуються хромосоми, які з довгих тонких невидимих ниток наприкінці профази стають короткими, товстими і розміщеними у вигляді клубка видимих хромосом. Вони скорочуються, стовщуються і складаються із двох ниток – хроматид. Хроматиди обвиваються одна навколо одної, утримуючись попарно з допомогою центромери. Профаза завершується зникненням ядерця і розпадом ядерної оболонки. З білка тубуліну формуються мікротрубочки – нитки веретена. Внаслідок розчинення ядерної мембрани, хромосоми розміщаються в цитоплазмі. До центромерів прикріплюються нитки веретена з обох полюсів.

Метафаза (від грец. μετά – після і φάσις – прояв) – друга фаза мітотичного і мейотичного поділу клітин. Розпочинається рухом хромосом у напрямку до екватора. Поступово хромосоми (кожна складається з двох хроматид) розміщаються в площині екватора, утворюючи так звану метафазну пластинку. У тваринних клітинах на полюсах навколо центріолей помітні зірчастоподібні фігури. У цій фазі можна підрахувати число хромосом у клітині. Набір генетичного матеріалу становить 2n4c.

Метафазну пластинку використовують у цитогенетичних дослідженнях для визначення числа і форми хромосом.

Анафаза (від грец. ανα – рух угору і φάσις – період, стадія). Ця фаза мітозу починається з поділу центромер. Сестринські хроматиди відходять одна від одної, розділяється і з’єднуюча їх центромерна ділянка. Всі центромери діляться одночасно у всіх хромосомах даної клітини. Кожна хроматида з окремою центромерою стає дочірньою хромосомою і по нитках веретена починає рухатися до одного з полюсів. У цей час їх називають сестринськими (дочірніми) хромосомами. Всі сестринські хромосоми рухаються до протилежних полюсів одночасно і досить швидко. Хромосоми рухаються за взаємодії двох процесів: скорочення ниток веретена, що тягнуть хромосоми, і подовження центральних ниток веретена. Набір генетичного матеріалу складає 2n2c.

Рис. 30. Мітотичний цикл:

1 – інтерфаза;

2 – рання профаза;

3,4 – пізня профаза;

5 – метафаза;

6,7 – рання і пізня анафаза;

8 – телофаза

Телофаза (від грец. τέλο – кінець і φάσις – період, стадія) – заключна стадія мітотичного і мейотичного поділу клітин; закінчується рух хромосом. Зворотна стосовно профази. Хромосоми, які досягли полюсів, складаються з однієї нитки, стають тонкими, довгими (явище деспіралізації хромосом) і невидимими у світловий мікроскоп. Вони утворюють сітку інтерфазного ядра. Формується ядерна оболонка, з’являється ядерце. У цей час зникає мітотичний апарат, у площині екватора утворюється клітинна перегородка і відбувається цитокінез – розділення цитоплазми, з утворенням двох дочірніх клітин. Набір генетичного матеріалу складає 2n2c.

Біологічне значення мітозу

Мітоз – найбільш поширений спосіб репродукції клітин тварин, рослин, найпростіших. Це основа росту і вегетативного розмноження всіх еукаріот – організмів, які мають ядро. Основна його роль полягає у точному відтворенні клітин, забезпеченні рівномірного розподілу хромосом материнської клітини між виникаючими з неї двома дочірніми клітинами і підтриманні сталості числа і форми хромосом у всіх клітинах рослин і тварин. Мітоз сприяє росту організму в ембріональному і постембріональному періодах, копіюванню генетичної інформації і утворенню генетично рівноцінних клітин. Тому організми, які розмножуються вегетативно (гриби, водорості, найпростіші, багато рослин) утворюють велику кількість ідентичних особин, або клонів. Клонування можливе в деяких багатоклітинних, здатних відновлювати цілий організм із частини тіла: кишковопорожнинні, черви. Клонування хребетних відбувається тільки на ранніх стадіях ембріогенезу. Так, у тварин і людини утворюються монозиготні близнюки з однієї заплідненої яйцеклітини внаслідок її мітотичного розділення. За рахунок мітозу всі функціонально застарілі клітини організму замінюються новими. Цей поділ лежить в основі процесу регенерації – відновлення втрачених тканин.