Деление клеток - КЛЕТКА КАК СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Постановка проблемы урока

Обыватель:Известно, что даже одна лишняя хромосома приводит к тяжёлым отклонениям в развитии. Какие механизмы обеспечивают в огромном большинстве случаев рождение нормальных, полноценных детей?

• В чём противоречие? На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Различаются ли хромосомные наборы в клетках одного и того же организма? (9 класс)

• Каковы функции ядра? (§11-12)

Решение проблемы

Клетка - единица строения

• Для чего необходимо деление клеток?

Когда-то Рудольф Вирхов пришёл к выводу, что все клетки появляются путём деления родительских клеток. Клетки не могут “позволить себе” значительное увеличение размеров, так как основной энергетически выгодный способ доставки веществ — диффузия — будет занимать слишком много времени, и скорость обмена веществ будет снижаться. Поэтому все процессы в организме, которые связаны с развитием, увеличением размеров органов или их “починкой”, обеспечиваются увеличением числа клеток. Благодаря делению обновляются клетки различных органов, заживают раны, организм растёт и изменяется. В организме взрослого человека каждую секунду должно появляться несколько миллионов новых клеток. Огромное количество последовательных клеточных делений приводит к развитию сложного многоклеточного организма из единственной клетки — зиготы. При этом основную массу органелл и молекул, присутствующих в клетке, можно поделить без особой точности, примерно пополам.

Жизненный цикл клетки

• Как распределяются функции клетки по стадиям её жизни?

Жизненный цикл клетки начинается в момент её возникновения из материнской и заканчивается делением на дочерние клетки. В период от деления до деления клетка должна сформировать органеллы и синтезировать вещества в таком количестве, чтобы дочерние клетки получили всё необходимое для выживания и репродукции. Последовательность процессов, происходящих в клетке с момента её возникновения в процессе деления и до следующего деления, называетсяклеточным циклом.В нём различают несколько этапов, в течение которых состояние клетки сильно меняется (рис. 16.1).

16.1. Клеточный цикл состоит из продолжительной интерфазы и сравнительно краткого периода деления клетки

Период клеточного цикла от возникновения клетки и до начала следующего деления называется интерфазой.

При наблюдении за клеткой в интерфазе под световым микроскопом кажется, что ничего не происходит, кроме увеличения её в размерах. Однако исследования показали, что в клетке происходит множество событий, подготавливающих её к делению.

Интерфазу делят на три периода. В начальный период клетка растёт, её органеллы обновляются и увеличиваются в числе, активно идут реакции обмена веществ, разворачивается синтез белков. Для осуществления этих процессов необходима информация, закодированная в ДНК. Она частично распаковывается, поэтому в этот период хромосомы практически неразличимы в световом микроскопе: они представляют собой клубок тонких, длинных нитей.

Некоторые сильно специализированные клетки, например, эритроциты или нейроны, выполняют все свои функции в течение первого периода интерфазы, а затем погибают. В клетках, способных к делению, в период интерфазы постепенно накапливаются необходимые вещества и энергия (в виде АТФ), после чего они переходят в следующий период интерфазы. ДНК реплицируется (удваивается), и каждая хромосома теперь содержит не одну, а две абсолютно одинаковые молекулы ДНК в комплексе с белками - сестринские хроматиды, соединённые перетяжкой-центромерой. Именно такие хромосомы в конденсированном виде имеют Х-образную форму. При этом хромосом не становится больше, их набор остаётся диплоидным — 2n.У человека, например, 2n= 46, или 23 пары гомологичных хромосом.

Последний, относительно короткий промежуток интерфазы посвящается подготовке к делению. Вырабатываются белки, из которых формируется двигательный аппарат деления ядра, запасается энергия, клетка контролирует точность прошедшей репликации ДНК и исправляет обнаруженные сбои.

Длительность интерфазы бывает различной в зависимости от ткани, стадии развития, вида организма. В эмбрионах она может длиться меньше часа, есть клетки, которые навсегда остаются в этой стадии. От продолжительности интерфазы зависит частота последовательных делений в ряду клеточных поколений.

Митоз

• Как происходит равноценное деление клеток?

Способ деления, при котором каждая из дочерних клеток получает точную копию генетического материала родительской клетки, называетсямитозом.При митозе получаются две одинаковые клетки с полным набором хромосом, идентичным набору родительской клетки. Митоз лежит в основе роста, регенерации и вегетативного размножения всех эукариот. Благодаря митозу поддерживается постоянство и равноценность генетического материала в поколениях клеток.

• Рассмотрите схему митоза. Какие изменения в ядре происходят в профазе?

16.2. Митоз

Этот сложный и многоступенчатый процесс включает ряд последовательных фаз, в результате которых сначала разделяется ядро, а затем происходит деление цитоплазмы.

Деление клеток всех эукариот связано с образованием специального аппарата клеточного деления. Разделение хромосом осуществляется с помощью так называемого веретена деления, состоящего из микротрубочек, а у животных имеет также центриоли. Деление цитоплазмы происходит тоже с участием цитоскелета. У клеток животного происхождения образуется перетяжка, а клетки растений разделяются клеточной перегородкой.

Митоз не всегда заканчивается разделением тела клетки. Иногда, например, в эндосперме некоторых растений, многократное митотическое деление ядер не сопровождается делением цитоплазмы. Это приводит к образованию гигантской многоядерной клетки — симпласта.

Два типа деления клеток

• Почему равноценное деление не всегда отвечает задачам организма?

Напомним, что половое размножение — это процесс образования нового организма в результате слияния половых клетое — гамет. В клетках всех живых организмов, у которых существует половое размножение, деление осуществляется двумя различными способами. Развитие многоклеточного организма начинается с одной-единствен- ной клетки — зиготы, несущей двойной набор хромосом (2п), и включает многие тысячи митотических делений. Каждому клеточному делению предшествует удвоение числа хромосом. Если бы этого не было, число хромосом в клетках постоянно бы уменьшалось, с каждым делением терялась бы часть наследственной программы, клетки потеряли бы возможность правильно выполнять свои функции. Этого не происходит благодаря удвоению хромосом перед каждым митозом.

Однако зигота образуется в результате слияния мужской и женской половых клеток. Если бы половые клетки появлялись в результате митотического деления, то они содержали бы по два набора хромосом, и зигота содержала бы уже четыре набора. При скрещивании организмов, развившихся из таких зигот, появлялись бы потомки, содержащие восемь наборов хромосом, т.е. в каждом поколении число хромосом увеличивалось бы вдвое. Поэтому необходим такой тип деления, при котором число хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое. Этот тип деления называетсямейозом, или редукционным делением.

Из вышесказанного следует, что при половом размножении в многоклеточном организме должно быть два типа клеток: одни с одинарным набором хромосом (1n), другие — с двойным (2n).Так и есть, все клетки организма, кроме половых, содержат двойной набор хромосом. Они

называются соматическими клетками. Половые клетки содержат одинарный набор хромосом. Соматические клетки способны к делению, они воспроизводятся, и, кроме того, из них образуются половые клетки. Половые клетки не делятся, но при оплодотворении они сливаются, и наборы их хромосом объединяются в зиготе, дающей начало многоклеточному организму.

Мейоз - способ образования гамет

• Как наследственный материал распределяется по гаметам?

Благодаря мейозу в клетках организмов от поколения к поколению поддерживается постоянное число хромосом. Кроме того, в мейозе в результате кроссинговера происходит перераспределение генов, увеличивающее разнообразие их комбинаций в гаметах.

Мейоз— способ деления диплоидных клеток (2n),в результате которого происходит уменьшение (редукция) числа хромосом до гаплоидного (1n). Мейоз состоит из двух последовательных делений (мейоз-Iи мейоз-II), но удвоение ДНК происходит только один раз, в интерфазе перед первым делением. Подобно митозу, каждое деление мейоза состоит из четырёх основных стадий - профазы, метафазы, анафазы и телофазы.

В интерфазе перед началом мейоза, как и при митозе, каждая пара гомологичных хромосом (включающая одну отцовскую и одну материнскую) удваивается, превращаясь в две пары сестринских хроматид. Затем начинается длительная профаза мейоза-I, в которой происходят все события, отличающие мейоз от митоза. Гомологичные пары хромосом конъюгируют: сближаются и переплетаются. В результате образуется гаплоидное число “склеенных” гомологичных хромосом — бивалентов (из четырёх хроматид). Между материнской и отцовской парами хроматид происходит обмен участками —кроссинговер.

В метафазе биваленты выстраиваются в плоскости экватора, а нити веретена разделяют гаплоидное число бивалентов на два гаплоидных набора целых хромосом. Они расходятся к полюсам клетки, причём хромосомы с наследственным материалом отца и матери образуют у каждого полюса случайную комбинацию.

Таким образом, если материнская клетка имела каждую хромосому в двух экземплярах от обоих родителей, то дочерние лишь в одном экземпляре, от одного из них, в случайной комбинации. Исключение составляют хромосомы, обменявшиеся участками хроматид во время кроссинговера: в них гомологичные хроматиды содержат гены разных родителей.

Второе деление происходит сразу вслед за первым, так что генетический материал больше не удваивается. Гаплоидное число хромосом просто расщепляется на хроматиды, которые расходятся и образуют два гаплоидных набора хромосом. Таким образом, в результате двух делений мейоза из обычной диплоидной клетки получается четыре гаплоидные дочерние клетки. Каждая клетка имеет теперь гены всех признаков лишь в одном экземпляре. Одни из них получены в составе отцовской хромосомы, другие — в составе материнской, а третьи — в составе хромосом с заменёнными участками.

16.3. Мейоз

• Рассмотрите схему мейоза. В чём сходство и в чём различия митоза и мейоза?

Сравнение митоза и мейоза

Митоз	Мейоз
Характерен для одноклеточных эукариот и соматических клеток многоклеточных организмов	Характерен для клеток эукариот, из которых образуются гаметы животных и споры растений
Наблюдается на протяжении всей жизни организма	Наблюдается при созревании гамет или образовании спор
Включает в себя одно деление	Включает в себя два деления
Из одной клетки образуется две	Из одной клетки образуется четыре
Дочерние клетки не отличаются от исходной по числу хромосом и наследственной информации	Дочерние клетки содержат вдвое меньше хромосом, информация в них отличается от исходной
Необходим для роста организма, восстановления повреждённых частей, бесполого размножения	Необходим для сохранения числа хромосом у потомков и комбинирования наследственной информации

Обобщение новых знаний

Клеточный цикл включает фазу обычной жизнедеятельности клетки и фазы её деления. Митоз - равноценное деление соматических клеток - обеспечивает воспроизведение двух дочерних клеток, идентичных родительской. Мейоз - редукционное деление - используется при образовании гамет. При этом из диплоидной клетки образуется четыре гаплоидные гаметы с полным набором генов в случайном сочетании хромосом отца, матери и хромосом с участками от обоих родителей, обменёнными в результате кроссинговера.

Митоз. Мейоз

Применение знаний

1. Как соотносятся клеточный цикл и клеточное деление?

2. Какие процессы характерны для клетки в первом периоде интерфазы?

3. В какой фазе клеточного цикла происходит репликация ДНК?

4. На какой фазе деления хромосомы видны в световой микроскоп?

5. Каковы хромосомные наборы соматических и половых клеток человека?

6. Назовите основные отличия мейоза от митоза.

7. К каким последствиям приводит конъюгация хромосом?

8. Почему зрелые половые клетки одного организма несут разные комбинации генов?

9. Передаются ли мутации ДНК соматических клеток по наследству при половом размножении?

Мои биологические исследования

Рассмотрение фаз митоза на готовом микропрепарате

Рассмотрите под микроскопом готовые препараты корешка лука. Найдите и зарисуйте клетки, находящиеся на разных стадиях митоза.

При наличии цифрового микроскопа сделайте снимки. Создайте презентацию вPowerPoint, на которой отразите свои наблюдения.