Деление цитоплазмы: процесс, определяющий будущее клетки

Деление клетки является фундаментальным процессом, лежащим в основе роста и размножения всех живых организмов. В ходе деления из одной материнской клетки образуются две или более дочерних клеток. У бактерий деление происходит путем прямого деления, при котором клетка удлиняется и перетягивается поперечной перегородкой. У эукариот выделяют два основных типа деления — митоз и мейоз.

Митоз обеспечивает рост многоклеточного организма и воспроизведение одноклеточных эукариот. При митозе дочерние клетки получают полный набор хромосом и генетически идентичны материнской. Мейоз приводит к образованию половых клеток и сопровождается уменьшением числа хромосом вдвое. В статье подробно рассматриваются основные этапы митоза и мейоза, их сходства и различия.

Также описан редко встречающийся способ деления — амитоз. При амитозе ядро делится без образования веретена деления, что требует меньших затрат энергии. Однако амитоз может приводить к нарушениям в распределении генетического материала.

Этапы митоза

Митоз — сложный многоэтапный процесс деления клетки, в результате которого из одной материнской клетки образуются две идентичные дочерние клетки. Он состоит из нескольких последовательных фаз: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза. Каждая фаза характеризуется определенными структурными изменениями в клетке.

• Во время профазы хромосомы уплотняются и становятся различимы в световой микроскоп. Образуется веретено деления из микротрубочек.
• Прометафаза — это переход от профазы к метафазе. Происходит распад ядерной оболочки.

Метафаза является одним из ключевых моментов митоза. Хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. К этому моменту уже полностью сформировано веретено деления, к которому теперь прикрепляются нити хромосом в области центромер. Так достигается равномерное распределение хромосомных нитей между полюсами клетки.

Анафаза — фаза, в течение которой происходит расхождение сестринских хроматид к полюсам клетки. В этот момент веретено деления удлиняется, а центромеры хромосом расщепляются. Так каждая дочерняя клетка получает полный набор хромосом.

Телофаза является заключительным этапом митоза. Хромосомы достигают полюсов и начинают деконденсироваться, формируя ядра дочерних клеток. Между ядрами образуется перетяжка для последующего деления цитоплазмы.

После телофазы наступает цитокинез — процесс разделения цитоплазмы. В результате образуются две полностью сформированные дочерние клетки, идентичные исходной.

Подготовка хромосом к делению

• Подготовка хромосом к делению начинается задолго до наступления собственно митоза, еще на стадии интерфазы. Интерфаза — это период жизненного цикла между делениями клетки. Во время интерфазы происходит удвоение ДНК в ядре.
• Процесс удвоения ДНК называется репликацией. Сначала ферменты расплетают спираль ДНК, раскручивая ее на отдельные нити. Затем вдоль каждой из нитей ДНК синтезируется комплементарная нить. Таким образом, из одной молекулы ДНК получаются две абсолютно идентичные двухцепочечные молекулы. После репликации хромосома состоит из двух хроматид — генетически идентичных копий.
• Следующим важным процессом является конденсация хромосом. Дело в том, что нерасправленные молекулы ДНК слишком длинные, чтобы уместиться в маленьком клеточном ядре. Поэтому ДНК компактно упаковывается с помощью белков в плотные хромосомы.
• В интерфазе также активно идет синтез белков и органелл, необходимых для последующего деления цитоплазмы. Формируются центриоли — органоиды, ответственные за образование веретена деления во время митоза.

Благодаря этим процессам, к началу собственно митоза в клетке уже есть две полные копии генетического материала и необходимые структуры. Это позволяет равномерно распределить наследственную информацию между дочерними клетками в дальнейшем.

Регуляция подготовки к делению

Весь процесс подготовки к делению жестко контролируется и регулируется. Существует целая система белков, отвечающих за продвижение клетки от одной фазы к другой. Эти белки получили название циклинов.

Циклины активируют ферменты циклин-зависимые киназы. Киназы, в свою очередь, фосфорилируют различные белки в ядре и цитоплазме, запуская каскад реакций, ведущих к следующей стадии цикла.

Так, например, циклин D отвечает за продвижение клетки из фазы G1 в S. А циклин B стимулирует вступление в митоз. Регуляция активности циклинов позволяет строго контролировать события клеточного цикла и готовность клетки к делению.

Разделение хромосом и цитоплазмы

После того, как в интерфазе произошла подготовка хромосом, наступает собственно процесс деления клетки — митоз. Его основная задача — разделить генетический материал таким образом, чтобы каждая дочерняя клетка получила полный набор хромосом.

Сначала происходит расхождение хромосом в анафазе. К этому моменту сестринские хроматиды уже прикреплены к нитям веретена деления. По мере удлинения веретена, хроматиды разводятся и движутся к противоположным полюсам клетки.

Таким образом достигается строгое поровну распределение генетического материала между будущими дочерними клетками. В итоге анафазы на полюсах оказывается ровно по одной хромосоме из каждой пары — то есть полный гаплоидный набор.

Механизмы разделения хромосом

Расхождению хромосом способствует несколько ключевых механизмов:

• Расщепление центромер, удерживающих сестринские хроматиды вместе
• Удлинение и рост микротрубочек веретена деления, к которым прикреплены хромосомы
• Сокращение актиновых и миозиновых филаментов в зоне экватора, которые как бы подталкивают хромосомы в стороны полюсов

Работа всех этих механизмов приводит к равномерному расхождению хромосом к полюсам клетки в анафазе митоза.

Деление цитоплазмы

После разделения хромосом наступает очередь цитоплазмы. Процесс ее разделения называется цитокинезом. Существует два основных механизма цитокинеза:

• Образование перетяжки в центре клетки, которая постепенно пережимает цитоплазму надвое
• Врастание клеточной мембраны, делящей клетку на две части

В обоих случаях важную роль играет кольцо из актиновых филаментов и миозина, сокращающееся и деформирующее клетку. Также участвуют различные везикулы и органоиды, обеспечивающие добавление мембран для завершения цитокинеза.

В итоге цитокинеза цитоплазма и органеллы делятся поровну на две части. Образуются две абсолютно идентичные дочерние клетки с полным набором генетического материала.

Цитокинез — завершение деления клетки

Цитокинез — финальная стадия деления эукариотической клетки. Это процесс разделения цитоплазмы материнской клетки с образованием двух независимых дочерних клеток, каждая из которых получает свой собственный набор органоидов и одинаковый набор хромосом.

Во время предшествующих стадий митоза уже произошло равномерное распределение хромосом и разделение ядра клетки. Задача цитокинеза — завершить процесс деления, разделив остальные компоненты цитоплазмы.

Механизмы цитокинеза

Существует два основных способа деления цитоплазмы при цитокинезе:

1. Образование перетяжки (валика)
2. Врастание клеточной мембраны

При первом варианте в центре клетки образуется перетяжка из микротрубочек и микрофиламентов. Она постепенно сужается, разделяя цитоплазму на две части.

При врастании мембраны образуются инвагинации клеточной мембраны, которые постепенно углубляются внутрь клетки и смыкаются, отпочковывая маленькие фрагменты мембраны с небольшой частью цитоплазмы (везикулы). Эти везикулы затем сливаются, разграничивая две части цитоплазмы.

В обоих случаях важную роль играет кольцо из актиновых и миозиновых нитей. Его сокращение создает силы, необходимые для деформации клетки. Также участвуют различные везикулы, мембраны и органоиды.

Завершение цитокинеза

К завершению цитокинеза две дочерние клетки соединены лишь тонкой перетяжкой из мембранного материала. Эта перетяжка в конечном итоге пережимается и разрывается.

Таким образом, цитокинез финализирует процесс деления эукариотической клетки. Его результатом является образование двух полноценных дочерних клеток, генетически идентичных материнской, но обладающих собственной цитоплазмой, органоидами и клеточными мембранами.

За счет цитокинеза происходит количественное увеличение клеток в процессе роста и размножения многоклеточного организма. Также цитокинез играет важную роль при обновлении клеточных тканей взрослого организма.

Сравнение митоза и мейоза

Митоз и мейоз — два разных способа деления клетки у эукариот. Оба процесса имеют сходные черты, но также ряд принципиальных отличий.

Общим для митоза и мейоза является следующее:

• Наличие отдельных последовательных стадий (профаза, метафаза, анафаза, телофаза)
• Формирование веретена деления из микротрубочек
• Конденсация хромосом
• Расхождение хроматид в анафазе
• Деление цитоплазмы на финальной стадии

Однако при этом митоз и мейоз имеют принципиальные различия:

• Количество делений. Митоз состоит из одного деления, в результате которого образуется две дочерние клетки. Мейоз включает два последовательных деления, в итоге которых формируется четыре гаплоидные клетки.
• Диплоидность клеток. Исходные клетки в митозе диплоидные. В мейозе клетки до начала деления также диплоидные, однако в результате первого деления образуются гаплоидные клетки, которые затем делятся во втором мейотическом делении.
• Кроссинговер хромосом. Этот процесс характерен исключительно для мейоза. На стадии профазы I происходит обмен участками гомологичных хромосом, увеличивающий генетическое разнообразие половых клеток. В митозе такого обмена генетическим материалом между хромосомами не происходит.
• Генетическое разнообразие клеток. В результате митоза дочерние клетки абсолютно идентичны материнской и друг другу. Мейоз же обеспечивает высокое разнообразие генетического материала за счет кроссинговера и независимого расхождения гомологичных хромосом в анафазе I и сестринских хроматид в анафазе II.

Биологическая роль митоза

Митоз выполняет чрезвычайно важную роль в жизни эукариотических организмов. Благодаря этому процессу происходит передача генетической информации дочерним клеткам, рост и восстановление тканей многоклеточных организмов.

Рост и развитие организма

У многоклеточных организмов митоз лежит в основе процессов роста и развития. Путем последовательных митотических делений из оплодотворенной яйцеклетки развивается многоклеточный зародыш с характерными для вида тканями и органами.

В дальнейшем митоз также ответственен за увеличение размеров тела в процессе роста организма. За счет деления цитоплазмы и образования новых клеток ткани получают количественный прирост.

Поддержание гомеостаза тканей

Во взрослом организме митоз используется для постоянной регенерации клеток, имеющих ограниченный жизненный цикл. Примерами таких тканей являются клетки крови, кожного покрова, выстилки кишечника.

За счет деления и обновления данных клеток поддерживается гомеостаз, функционирование и целостность соответствующих органов.

Регенерация поврежденных тканей

При повреждении или утрате части ткани митоз активируется для ее восстановления и заживления ран. Повышенная скорость деления клеток позволяет быстро подрастить новую ткань взамен утраченной.

Мейоз и образование половых клеток

В отличие от митоза, мейоз не используется для прямого роста и деления клеток организма. Его основная роль — образование половых клеток (гамет) для последующего оплодотворения. Процесс созревания гамет называется гаметогенезом. У многоклеточных он включает специальное деление — мейоз, благодаря которому будущие половые клетки получают гаплоидный набор хромосом:

• Подготовка к мейозу. На первых этапах гаметогенеза клетки еще диплоидны и активно делятся митозом с увеличением их количества. Затем наступает подготовка к мейозу, включающая репликацию ДНК и конденсацию хромосом, как и перед обычным митозом.
• Мейоз I и II. Собственно мейотическое деление состоит из двух этапов — мейоза I и мейоза II. В результате мейоза I образуются гаплоидные клетки. Мейоз II уже напоминает митоз — с той лишь разницей, что начинается из гаплоидных клеток после мейоза I. На стадиях мейоза происходит деление цитоплазмы и разделение клетки на четыре гаплоидные половые клетки — сперматозоиды или яйцеклетки.
• Результат — гаметы. Именно благодаря мейозу и последующим этапам созревания формируются зрелые половые клетки с гаплоидным набором хромосом. В будущем они используются для оплодотворения и восстановления диплоидного набора в организме нового поколения.

Регуляция деления клетки

Процесс деления клетки тщательно регулируется с помощью различных механизмов. В частности, важную роль играют белки-циклины и циклинзависимые киназы. Они контролируют переход клетки из одной фазы клеточного цикла в другую, обеспечивая правильную последовательность событий.

Также на деление клетки влияют ростовые факторы. При их отсутствии клетка может временно приостановить деление. Это позволяет избежать чрезмерного неконтролируемого роста.

Нарушения в работе регуляторных механизмов могут привести к неконтролируемому делению и образованию опухолей. Поэтому изучение регуляции этого процесса имеет большое практическое значение в медицине.

Нарушения в процессе деления

Существует несколько видов нарушений, которые могут возникать при делении клетки. К ним относятся анеуплоидия, полиплоидия, триплоидия и аномалии в процессе цитокинеза:

• Анеуплоидия – нарушение числа хромосом в клетке из-за их нерасхождения во время митоза или мейоза. При этом в одних клетках может быть лишняя хромосома, а в других – недостающая.
• Полиплоидия – кратное увеличение числа хромосом в клетке по сравнению с нормальным кариотипом вида. Бывает триплоидия (в три раза больше хромосом), тетраплоидия (в четыре раза) и т.д.
• Аномалии в процессе цитокинеза, когда разделение цитоплазмы между дочерними клетками происходит неправильно, что приводит к появлению двуядерных или многоядерных клеток.

Деление цитоплазмы может быть нарушено по разным причинам: из-за мутаций генов, синтезирующих белки деления, действия радиации или химических веществ, ошибок в работе клеточных структур и др.

Такие нарушения часто приводят к гибели клетки или блокированию дальнейших делений. В некоторых случаях это может способствовать развитию опухолей и других заболеваний. Регулярный и правильный процесс деления цитоплазмы крайне важен для жизнедеятельности любого организма.

Значение деления клетки

Деление клетки – это фундаментальный процесс, лежащий в основе роста и размножения любого живого организма. Особенно велика его роль для многоклеточных организмов. Посредством деления клетки происходит увеличение числа клеток, из которых состоят ткани и органы. Кроме того, деление цитоплазмы необходимо для восполнения потерянных или поврежденных клеток:

• У одноклеточных организмов деление клетки нужно в первую очередь для размножения, так как каждая дочерняя клетка может дать начало новому организму.
• У многоклеточных деление обеспечивает рост организма на ранних этапах развития, когда из одной оплодотворенной яйцеклетки путем последовательных делений образуется зародыш.
• Во взрослом организме деление клеток необходимо для обновления тканей, регенерации, заживления ран.

Значение деления цитоплазмы трудно переоценить. Без этого процесса была бы невозможна сама жизнь в том виде, в котором она существует на Земле. Деление лежит в основе роста и развития, обновления клеточного состава организмов, передачи наследственной информации.

Деление клетки у прокариот

У прокариот, к которым относятся бактерии и археи, процесс деления клетки имеет свои особенности. Главное отличие от эукариот заключается в отсутствии ядра и оформленных хромосом.

Генетический материал прокариот представлен обычно одной кольцевой двуцепочечной молекулой ДНК, связанной с цитоплазматической мембраной. Перед началом деления происходит ее репликация – образование двух идентичных молекул ДНК, каждая из которых становится частью дочерней клетки в процессе деления.

Выделяют два типа деления прокариот, отличающихся плоскостью разделения клетки:

• Бинарное (поперечное) – клетка удлиняется, затем посередине образуется поперечная перегородка, разделяющая цитоплазму и молекулы ДНК. Это наиболее распространенный тип;
• Множественное фрагментарное – перетяжками образуется несколько дочерних клеток в пределах старой оболочки, затем они выходят из нее.

У некоторых видов бактерий описана множественная репликация генетического материала внутри клетки без последующего деления цитоплазмы. Так образуются гигантские клетки с сотнями ядер.

Редкие способы деления клетки

Помимо основных типов деления — митоза и мейоза, — у некоторых эукариотических организмов описаны редкие способы размножения клеток:

1. К таким способам относится, например, фрагментация — распадение цитоплазмы на отдельные части с последующим обособлением. Каждый фрагмент образует затем полноценную клетку. Этот способ встречается у некоторых одноклеточных, а также используется для клонирования растений.
2. Еще один редкий тип деления — пупырчатое, или геммипарное деление цитоплазмы. При этом на поверхности клетки формируются выросты — пупырышки, которые затем перешнуровываются, отпочковываясь в виде дочерних клеток.
3. Другие малораспространенные способы включают эндомитоз (репликация ДНК и рост клетки без последующего деления ядра) и эндоцикл (чередование фаз синтеза ДНК и митоза или его отсутствия).

Такие формы деления характерны для очень узкого круга организмов и клеток, однако их изучение вносит вклад в понимание многообразия механизмов размножения эукариотических клеток помимо классического деления цитоплазмы.

Перспективы изучения деления клетки

Несмотря на многовековую историю изучения, процесс деления клетки до конца не раскрыт. Остается много вопросов о тонких молекулярных механизмах, запускающих и регулирующих это фундаментальное явление жизни.

• Интенсивно изучаются белки, отвечающие за организацию веретена деления, контрольные точки клеточного цикла, взаимодействия хромосом и микротрубочек в ходе митоза. Совершенствуются методы визуализации отдельных стадий деления цитоплазмы.
• Огромные перспективы сулит использование новейших технологий. Например, методы оптогенетики позволяют светом регулировать активность белков деления в живой клетке и наблюдать последствия в реальном времени под микроскопом.
• Мощные вычислительные подходы дают возможность моделировать сложные процессы на молекулярном и клеточном уровне. Это открывает путь к пониманию их логики, взаимосвязей и уязвимых звеньев.
• На основе фундаментальных знаний о делении клеток разрабатываются методы борьбы с раком, генная инженерия растений и животных, клеточные технологии. Таким образом, дальнейшее всестороннее изучение этого явления чрезвычайно актуально для биологии и медицины.

Деление клетки в медицине и биотехнологиях

Глубокие знания процессов деления и размножения клеток активно применяются в регенеративной медицине и клеточных технологиях. Они позволяют получать необходимые для лечения типы клеток:

1. Например, стволовые клетки, способные к самообновлению и дифференцировке в разные типы, можно размножать в культуре. Затем они используются для замещения поврежденных тканей пациента или стимуляции регенерации.
2. Другое перспективное направление – выращивание искусственных тканей и органов из клеток человека с последующей трансплантацией нуждающимся пациентам. Это альтернатива донорским органам.

В основе таких подходов лежит управление делением цитоплазмы стволовых и соматических клеток человека для получения необходимого количества клеточного материала. Поэтому прогресс в изучении и контроле этого фундаментального процесса чрезвычайно важен для регенеративной медицины.