Деление клеток - ЦИТОЛОГИЯ.РЕГУЛЯЦИЯ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ

Постановка проблемы урока

Федя: Чтобы разделить клетку пополам, нужно перетянуть её ровно посередине.

Петя: Но тогда ядро попадёт только в одну половинку!

Федя: Ядро нужно тоже перетянуть.

Петя: Но ведь там хромосомы!

Федя: Одну можно отвести налево, а другую направо. Третью опять налево, а четвёртую - направо.

Федя: А если их нечётное число?

Петя: Последнюю разделить пополам!

• Какой биологической проблеме посвящён этот разговор? Почему так важно разделить хромосомы? (Сравните с авторским вариантом на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• Как происходит хранение и передача “инструкций”, управляющих клеточными процессами? (§7)

• Как размножаются одноклеточные организмы? (6, 7 класс)

• Чем отличается набор хромосом в гаметах? (8 класс)

• Какие (три) задачи решаются благодаря размножению? (6-8 класс)

Решение проблемы

Что делят клетки

Деление клеток необходимо для существования любого организма, будь он одноклеточный или многоклеточный. Этим путём происходит не только размножение и рост, но и постоянное обновление тканей в течение всей жизни. Клетки ткани, выстилающей кишечник человека, например, делятся каждые 11 часов.

• Как вы думаете, с чем связана такая скорость?

Поддержание ткани в рабочем состоянии требует, чтобы клетки сохраняли свои функции неизменными, несмотря на замену самих клеток. Это возможно только благодаря равному распределению по дочерним клеткам наследственного текста, записанного в ДНК. Наследственный материал находится в ядре каждой клетки, в хромосомах. Во время деления они видны в световой микроскоп (рис. 9.1). Каждая хромосома содержит гигантскую нитевидную молекулу ядерной ДНК. Эта нить в хромосоме много раз сложена, намотана на гранулы и компактно уложена с помощью белков-гистонов.

9.1. Фотография хромосомы.

Количество хромосом в любой клетке тела диплоидного организма составляет одно и то же, характерное для вида, чётное число (рис. 9.2). Его обозначают 2n, где n - число пар одинаковых по форме гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы в каждой паре унаследованы от разных родителей.

9.2. Хромосомный набор человека.

Способ деления, при котором каждая из дочерних клеток получает точную копию генетического материала родительской клетки, называется митозом. Его главная задача — обеспечить обе клетки одинаковым и полным набором хромосом.

• Почему такое деление клеток иногда называют равнонаследственным?

Жизненный цикл клетки

Жизнь клетки от деления до деления (от образования до разделения на две дочерних) называется клеточным циклом. В нём различают несколько этапов, в течение которых её состояние сильно меняется. Самый долгий этап — интерфаза: клетка растёт и выполняет свои функциональные задачи. Этап митоза включает несколько фаз деления клетки — сложного и многоступенчатого процесса (рис. 9.3).

9.3. Жизненный цикл клетки.

Интерфаза - рабочее состояние клетки

Интерфаза начинается с роста клетки: обновления и увеличения числа органелл, необходимых для работы. Разрастается эндоплазматическая сеть. В ядрышке производятся новые рибосомы, они расставляются по местам. Увеличивается количество РНК. Разворачивается синтез белков. Ферментативные комплексы занимаются их преобразованием. Аппарат Гольджи сортирует готовые продукты. Всё это требует постоянного участия ДНК: ведь с них считываются указания по работе клетки. Хромосомы в интерфазе не видны в микроскоп: их структуры расправляются и позволяют молекулам ДНК раскручиваться в длинные тонкие нити.

• Почему работа ДНК невозможна, когда хромосомы видны?

В интерфазе молекулы ДНК удваиваются

В течение первого, самого долгого промежутка интерфазы в клетке накапливается материал и энергия (в виде АТФ) для построения новых молекул ДНК. Затем наступает период синтеза — репликации ДНК: двойная спираль расходится, и каждая нить создаёт свою точную копию. При этом хромосом не становится больше, их число остаётся диплоидным (у человека, например, 2n = 46, или 23 пары гомологичных хромосом). Однако каждая хромосома расщепляется на две сестринские хроматиды (рис. 9.4).

9.4. Изменение внешнего вида одной хромосомы в течение интерфазы.

Последний, относительно короткий промежуток интерфазы посвящается укладке ДНК. В это же время вырабатываются белки, из которых формируется двигательный аппарат деления ядра (рис. 9.5).

9.5. С помощью белков-гистонов ДНК укладывается в хромосому.

Митоз - рождение клеток-близнецов

На время деления клетка прекращает большинство обычных функций. Её вид в световом микроскопе преображается, что позволяет различить пять последовательных фаз митоза (рис. 9.6).

9.6. Фазы митоза.

В профазе заканчивается укладка - конденсация хромосом, и они становятся различимыми в микроскоп. Ядрышко, наоборот, становится невидимым. В цитоплазме появляются центриоли: они расходятся к противоположным полюсам клетки и выстраивают микротрубочки. Из них формируется веретено деления.

В прометафазе распадается ядерная оболочка. К центромере каждой хромосомы с двух сторон прикрепляются нити веретена от каждой центромеры, и хромосомы начинают движение.

В метафазе хромосомы выстраиваются на равном расстоянии от центриоли. В этот момент их легко разглядеть в микроскоп и сосчитать.

В анафазе сестринские хроматиды разъединяются под действием веретена: сначала в области центромеры, а затем и по всей длине. С этого момента они становятся самостоятельными хромосомами. Нити веретена растягивают их к разным полюсам.

В телофазе хромосомы окружаются ядерной оболочкой. Они удлиняются, становятся тоньше и пропадают из виду. Появляется ядрышко. Цитоплазма разделяется мембраной или поперечной перетяжкой на

две дочерние клетки. Органеллы попадают в каждую из них примерно в равном количестве.

Митоз лежит в основе роста, регенерации и вегетативного размножения всех ядерных организмов — эукариот. Митоз поддерживает постоянство и равноценность генетического материала в последовательных поколениях клеток. Дочерние клетки получают точную копию хромосом родительской клетки — обычно диплоидный набор хромосом.

Мейоз - способ образования гамет

Мейоз (или редукционное деление клетки) - способ деления ядра клеток, в результате которого происходит уменьшение (редукция) числа хромосом, так что из каждой пары гомологичных хромосом дочерняя клетка получает только одну. У диплоидных организмов, каковых подавляющее большинство, мейоз приводит к образованию гаплоидных клеток (n) — гамет. При оплодотворении гаметы сливаются в зиготу, и набор хромосом в клетке нового организма снова становится диплоидным (2n).

Мейоз состоит из двух последовательных делений, но удвоение ДНК происходит только в интерфазе перед первым делением. Затем, в отличие от митоза, гомологичные пары хромосом конъюгируют: сближаются, переплетаются и образуют гаплоидное число бивалентов — “склеенных” гомологич- ных хромосом. Биваленты выстраиваются в плоскости экватора, а нити веретена, как и в митозе, разделяют их надвое. Но биваленты разделяются на целые хромосомы и расходятся к полюсам без разделения на хроматиды. Получается две дочерних клетки с гаплоидным числом хромосом (рис. 9.7 и 9.8).

9.7. Митоз.

9.8. Мейоз, первое деление.

• Как называются две фазы деления, изображённые на всех трёх рисунках?

• Найдите различие в поведении хромосом в митозе и в мейозе.

• Какие два явления ответственны за все другие отличия мейоза от митоза?

Сразу вслед за первым делением происходит второе. В нём, как при митозе, хромосомы расщепляются на хроматиды. Таким образом, в результате мейоза из обычной диплоидной клетки получается четыре гаплоидных гаметы (рис. 9.9).

9.9. Мейоз, второе деление.

Только в мейозе, во время конъюгации гомологичных хромосом, некоторые хромосомы могут обмениваться переплетёнными участками. Так что при разделении бивалентов они иногда расходятся слегка изменёнными. Важность этого процесса, названного кроссинговером, мы рассмотрим при изучении основ генетики.

Обобщение новых знаний

Митоз - образование двух дочерних клеток с набором хромосом, равным родительскому по количеству и качеству (обычно диплоидным). Мейоз - образование четырёх гамет с уменьшенным набором хромосом (обычно гаплоидным), равноценным, но различным по качеству.

Хромосомы. Клеточный цикл. Хроматиды. Митоз. Мейоз. Редукционное деление. Гаплоидный и диплоидный набор хромосом

Применение знаний

1. Чем вызвана необходимость точного разделения генетического материала дочерними клетками?

2. Что происходит с хромосомами в интерфазе клеточного цикла?

3. Как меняется число хроматид в течение клеточного цикла?

4. Как связаны кроссинговер и конъюгация хромосом?

5. Какую роль играет сложнейший способ упаковки ДНК в хромосоме?

6. К каким результатам приводит конъюгация хромосом в мейозе?

7. Почему между двумя делениями мейоза отсутствует интерфаза?

8. Может ли в результате мейоза появиться диплоидная клетка (учтите, что бывают организмы 4n)?