Митоз. Фазы митоза. Значение митоза. Цитокинез растений и животных. Другие виды нередукционного деления клеток.

1. 
   Определение и сущность
   

Митоз – это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра, сожержащие наборы хромосом, идентичные наборам родительской клетки. Обычно сразу после деления ядра происходит деление цитоплазмы (цитокинез) с образованием двух дочерних клеток. Иногда цитокинез считают частью митоза.

2. 
   Биологический смысл
   

Сущность митоза – точная и полная передача генетической информации от материнской клетки дочерним.

В результате митоза возникают 2 ядра, каждое из которых содержит столько же хромосом, сколько их было в родительском ядре. Хромосомы происходят от родительских хромосом путём репликации ДНК, следовательно, их гены содержат одинаковую генетическую информацию (если не учитывать ошибки репликации). Поэтому популяции клеток, происходящие от одних и тех же родительских клеток, (клоны) генетически стабильны ЛУЧШЕ СКАЗАТЬ – ИДЕНТИЧНЫ, СТАБИЛЬНОСТЬ – ЭТО ПОСТОЯНСТВО ВО ВРЕМЕНИ.

3. 
   Функции, у кого встречается
   

1. 
   Рост. В результате митозов число клеток в данном организме возрастает, и это лежит в основе роста многоклеточных организмов. Все деления, происходящие при развитии от зиготы ИЛИ СПОРЫ до взрослого организма у многоклеточных животных и высших растений, - митотические.
   
2. 
   Замещение клеток. Клетки постоянно гибнут и замещаются новыми. Например, средний срок жизни лимфоцита человека – 5 дней.
   
3. 
   Регенерация. Некоторые животные способны к регенерации утраченных частей тела, например ног (ракообразные). Необходимые для этого клетки образуются в результате митоза. Пример – восстановление утраченного ящерицей хвоста.
   
4. 
   Бесполое размножение одноклеточных организмов. Митоз лежит в основе бесполого размножения – продуцирования новых организмов данного вида одной родительской особью. Например, размножение делением надвое, свойственное большинству протистов, происходит с помощью митоза.
   
5. 
   Вегетативное размножение многоклеточных организмов. Например, почки у гидры образуются при ЛУЧШЕ – ЗА СЧЕТ многочисленных митозах.
   

В многоклеточных организмах (у животных и высших растений) делятся обычно клетки недифференцированные. Одна из дочерних клеток часто остаётся стволовой и продолжает делиться, другая специализируется и часто делиться перестаёт. У человека, например, не делятся нервные и мышечные клетки, большинство клеток крови и др.

4. 
   Механизм подробно
   

- Подготовка к митозу (интерфаза)

Митоз в среднем длится 1-2 часа (эмбриональные митозы намного короче).

Между двумя делениями проходит период, который называется интерфазой. Митоз вместе с интерфазой составляет клеточный цикл.

В период интерфазы, которая в среднем длится 10-20 часов, протекает множество важных процессов, готовящих клетку к делению, в том числе синтез необходимых для деления белков, увеличение количества клеточных органелл и репликация ДНК. При этом ДНК находится в декомпактизированном, деконденсированном состоянии.

Рассмотрим механизм протекания митоза на примере клетки с диплоидным набором хромосом. Обозначим количество ДНК в клетке, находящейся в начале интерфазы, как 2с, а количество хромосом – 2n.

К концу интерфазы количество молекул ДНК удвоено (4c), число хромосом за период интерфазы не изменилось (2n). Это связано с тем, что идентичные молекулы ДНК соединены в центромерном участке и являются двумя хроматидами одной хромосомы. Эти хроматиды являются одинаковыми (если пренебречь ошибками репликации) и по отношению друг к другу являются сестринскими.

- Митоз состоит из нескольких стадий, последовательно сменяющих друг друга: профазы, прометафазы, анафазы и телофазы.

А) Профаза (2n, 4с) 30 мин – 1 ч.

1) В начале профазы два ЦОМТа расходятся к полюсам клетки. В клетках животных и низших растений роль ЦОМТов выполняют клеточные центры, каждый из которых представляет собой парный органоид из двух взаимно перпендикулярных цилиндрических структур (центриолей), по окружности которых располагается 9 триплетов микротрубочек.

2) Параллельно с расхождением ЦОМТов в цитоплазме происходит образование веретена деления (митотического веретена). Митотическое веретено представляет собой совокупность микротрубочек, которые тянутся от ЦОМТов (сначала во всех направлениях, образуя фигуру, называемую звездой). К ЦОМТу обращены (-) концы микротрубочек, в цитоплазму торчат свободные (+) концы. Происходит постоянная сборка и разборка микротрубочек. Затем микротрубочки «дифференцируются»: некоторые пары микротрубочек от разных ЦОМТов «дотягиваются» друг до друга и соединяются с помощью особых белков. Это полюсные (цитоплазматические) микротрубочки. Другие микротрубочки, которые отходят от полюсов веретена, направлены к клеточной мембране. Их называют астральными. Третий вид микротрубочек – кинетохорные (хромосомные); они ответственны за разделение хроматид и играют важную роль в протекании промета-, мета- и анафазы.

3) В это время в ядре происходит конденсация = компактизация = уплотнение = спирализация хромосом: они укорачиваются и утолщаются, что позволяет видеть их в световой микроскоп в период деления: становятся различимы две хроматиды каждой хромосомы; эти хроматиды соединены в участке, называемом центромерой.

4) Во время конденсации хромосом в ядре исчезают ядрышки. ПОЧЕМУ?

5) В конце профазы благодаря лизосомам происходит распад ядерной оболочки, вследствие чего спирализованные хромосомы оказываются к цитоплазме. Фрагменты распавшейся ядерной оболочки формируют мелкие мембранные пузырьки, цитоплазма клетки смешивается с кариоплазмой.

6*) Во время всей профазы животная клетка становится округлой. С растительной клеткой таких изменений не происходит, т.к. этому препятствует наличие клеточной стенки.

Б) Прометафаза (2n, 4c) 10-20 мин.

Прежде чем переходить к событиям, происходящим в прометафазу, важно отметить, что на каждой центромере выявляется скопление специальных белков, образующих специальную структуру – кинетохор. Эти белки существуют и у хромосом неделящихся клеток.

1) К кинетохору каждой хромосомы прикрепляются кинетохорные нити веретена деления. К кинетохору каждой хромосомы присоединяются микротрубочки от обоих ЦОМТов. Если в данный момент к хромосоме присоединяется микротрубочка от одного из ЦОМТов, то их связь непрочная => хромосома тут же отделяется обратно. Если в какой-то момент присоединятся микротрубочки от двух ЦОМТов сразу, их связь с хромосомой становится прочной.

Число кинетохорных нитей, прикреплённых к каждой хромосоме, зависит от вида. Например, в клетках человека каждый кинетохор связан с 20-40 микротрубочками, у других видов их может быть до нескольких тысяч.

2) Кинетохорные микротрубочки после их прикрепления к кинетохорам начинают выравниваться по длине. В результате хромосомы передвигаются с того места в клетке, где они были в момент разрушения ядерной оболочки, к экватору клетки до тех пор, пока их центромерные районы не окажутся на равном расстоянии от обоих полюсов.

В) Метафаза (2n, 4c) – самая короткая.

1) Метафазой как раз называется момент расположения центромерных участков всех хромосом в плоскости экватора на равном расстоянии от обоих ЦОМТов. При этом образуется фигура, называемая метафазной пластинкой (метафазной звездой). Важно отметить, что в метафазу каждая хромосома всё ещё состоит из двух сестринских хроматид.

Г) Анафаза (4n, 4c) 2-3 мин.

1) Оказавшись в экваториальной плоскости, все хромосомы одновременно делятся продольно на хроматиды благодаря специальному ферменту, который разрезает кинетохор пополам. Это момент окончания метафазы, с которого хроматиды становятся независимыми хромосомами, т.е. число хромосом в клетке увеличивается вдвое.

2) Однохроматидные хромосомы расходятся к полюсам клетки за счёт а) укорочения кинетохорных микротрубочек б) скольжения друг по другу цитоплазматических (полюсных) микротрубочек.
Более подробно*: На хромосомы воздействуют две силы: тянущие, возникающие вследствие разборки кинетохорных микротрубочек и расталкивающие – в связи с удлинением полюсных микротрубочек вблизи экватора. По мере расхождения хромосом цитоплазматические микротрубочки удлиняются, а степень их перекрывания друг с другом при помощи специальных белков уменьшается. Источником сил, раздвигающих полюсы, являются миозиноподобные белки, обеспечивающие скольжение друг по другу «растущих» полюсных микротрубочек, а движение хромосом к полюсам обусловлено укорочением кинетохорных микротрубочек.

Д) Телофаза (с цитокинезом) (2n, 2c) 20-30 минут.

События телофазы противоположны событиям профазы.

1) Хромосомные микротрубочки веретена исчезают.

2) Хромосомы начинают деконденсироваться = деспирализовываться.

3) Из ЭПС образуется ядерная оболочка.

4) Формируются ядрышки.

К телофазе иногда относят 5) цитокинез, который в разных клетках протекает по-разному.

5. 
   Цитокинез растений и животных
   

Цитокинез – деление цитоплазмы. Оно обычно следует за телофазой и ведёт к периоду G1 интерфазы. При подготовке к цитокинезу клеточные органеллы вместе с хромосомами равномерно распределяются по двум полюсам телофазной клетки; при этом увеличивается биосинтез фосфолипидов для мембран, которые необходимы, чтобы покрыть обе дочерние клетки.

В животной клетке под плазмалеммой кольцом на том уровне, на котором прежде располагался экватор веретена, активируются элементы цитоскелета – актиновые микрофиламенты. Рядом с ними полимеризуется миозин. Актино-миозиновое кольцо сжимается, и возникает перетяжка плазмалеммы – непрерывная борозда, опоясывающая клетку по экватору. В конце концов клеточные мембраны в области борозды смыкаются, полностью разделяя две клетки.

В растительных клетках нити веретена во время телофазы сохраняются только в области экватора, где они сдвигаются к периферии клетки. Их число увеличивается, и они образуют боченковидное тельце – фрагмопласт. В эту область перемещаются также микротрубочки, рибосомы, митохондрии, ЭПС и АГ. АГ образует множество мелких пузырьков. Пузырьки появляются сначала в центре клетки, а затем, направляемые микротрубочками, перемещаются и сливаются друг с другом, образуя клеточную пластинку, расположенную в плоскости экватора. Содержимое пузырьков участвует в построении новой срединной пластинки и стенок дочерних клеток, а из их мембран образуются новые наружные клеточные мембраны. Клеточная пластинка, разрастаясь, в конце концов сливается со стенкой родительской клетки и полностью разделяет две дочерние клетки. Новообразованные клеточные стенки называются *первичными; в дальнейшем они могут дополнительно утолщаться за счёт отложения целлюлозы и других веществ (напр., лигнина и суберина), образуя *вторичную клеточную стенку. В определённых участках клетки пузырьки клеточной пластинки не сливаются, так что между соседними дочерними клетками сохраняется контакт. Эти цитоплазматические каналы выстланы клеточной мембраной и образуют плазмодесмы.

6. 
   Регуляция
   

Существует множество сложных механизмов контроля клеточного деления, но далеко не все пока изучены.

В интерфазе в клетке присутствуют вещества, блокирующие митоз. В клетках также были обнаружены белки-циклины, концентрация которых падает почти до нуля в середине митоза, а затем постепенно растёт и достигает максимума в начале следующего митоза. Есть гипотеза, что циклин при определённой концентрации стимулирует синтез ещё одного белка – митозстимулирующего фактора (МСФ, М-фактора). МСФ запускает переход клетки к митозу.

Все вышеперечисленные открытия, а также многие другие были сделаны на основе выводов из опытов на синхронизированных культурах клеток.

Было получено несколько культур, все клетки в каждой из которых находились на одной и той же стадии клеточного цикла. Клетки из разных культур, находящиеся на разных стадиях цикла, искусственно сливали между собой.

А) Если клетку, ядро которой уже приступило к митозу, слить с клеткой, находящейся на любой стадии интерфазы, то в последней начинается профаза, даже если удвоения ДНК не произошло. Вывод: в клетке в период митоза присутствует вещество, стимулирующее начало митоза.

Вещества, блокирующие митоз (например, в S-фазе), предотвращают синтез МСФ, но не мешают его действию, если оно уже присутствует.

Б) Если МСФ из яйцеклеток шпорцевой лягушки ввести в любую эукариотную клетку, она тут же приступает к делению. Если МСФ ввести в клетку, в которой блокирован синтез белков, ничего не происходит.

Вывод: для проявления активности МСФ нужно присутствие ещё каких-то других белков.

В) При слиянии клетки в фазе G1 с клеткой в S-периоде, в ядре первой клетки тут же начинался синтез ДНК. Вывод: существует вещество, стимулирующее переход в S-период.

Г) При слиянии клетки, находящейся в S-периоде и клетки в фазе G2 ни одно ядро не приступает к делению, пока синтез ДНК в обоих ядрах не закончится. Вывод: некое вещество, присутствующее в S-периоде, блокирует начало митоза. Это необходимо, чтобы к началу митоза вся ДНК успела удвоиться.

Д) Был произведён генетический анализ мутаций, нарушающих нормальное течение митоза у дрожжей. На таких мутантах было показано, что разные гены отвечают за различные события клеточного цикла. При мутации одного из генов клетки не выходят из фазы G1 и не начинают подготовку к делению, при мутации другого гена нарушается удвоение ЦОМТа, при мутации третьего гена не завершается репликация ДНК. Остальные события клеточного цикла у таких мутантов протекают нормально. Вывод: подготовка к делению состоит из нескольких рядов относительно независимых событий.

Е) На тех же дрожжевых клетках было показано, что клетка начинает готовиться к делению при достижении одного и того же стандартного размера. Вывод: клетка каким-то образом «чувствует» свои размеры.

Для определения завершения каждой фазы клеточного цикла необходимо наличие в нем контрольных точек. Если клетка «проходит» контрольную точку, то она продолжается «двигаться» по клеточному циклу. Если же какие-либо обстоятельства мешают клетке пройти через контрольную точку, то следующей фазы клеточного цикла не наступает, по крайней мере, до тех пор, пока не будут устранены препятствия, не позволявшие клетке пройти через контрольный пункт.

Контрольные точки клеточного цикла.
1. Точка выхода из G₁-фазы. После перехода через эту точку в G₁ наступление S становится необратимым, т.е. запускаются процессы, ведущие к делению клетки. Проверяется размер клетки и условия окружающей среды.
2. Точка S – проверка точности репликации. (???)
3. Точка G₂/M-перехода – проверка завершения репликации, а также размеров и условий окружающей среды.
4. Переход от метафазы к анафазе митоза. Проверяется, все ли хромосомы находятся в плоскости экватора.

Исходные клетки	Гетерокарион* - клетка, содержащая два или более ядер, имеющих различные генотипы, которая получаются при слиянии соматических клеток.	Вывод
G1+S	=>SS	В S есть вещ-во, стимулирующее репликацию
G2+S	=>G2S=>G2G2=>митоз	В S есть вещ-во, блокирующее начало мит.
Мит.+Инт.	=> Мит.Мит.	В Мит. есть МСФ

Деление клеток многоклеточных организмов находится под жёстким контролем. Для деления большинству клеток необходимы специальные белки - факторы роста. Они действуют на клетки, связываясь с белками-рецепторами на клеточной поверхности.

7. 
   Другие виды нередукционного деления клеток
   

1. 
   Деление прокариот (бинарное деление)
   

У бактерий нет ядра, нет веретена деления и других структур, принимающих участие в делении. У них есть одна кольцевая молекула ДНК в клетке (бактериальная хромосома), присоединённая к цитоплазматической мембране участком, в котором начинается двунаправленная репликация. Одновременно с этим происходит рост клетки: встраивание нового мембранного материала идёт именно между точками прикрепления двух частично реплицированных молекул ДНК. По мере роста мембраны молекулы ДНК постепенно отдаляются друг от друга. Когда реплицированные молекулы ДНК окончательно отдалятся друг от друга, происходит разделение материнской клетки на две дочерние.

2. 
   Амитоз (прямое деление клетки) – деление клетки, при котором ядро находится в интерфазном состоянии (деконденсированный хроматин, ядерная оболочка, отсутствие веретена деления). Происходит простая перетяжка ядра и его разделение на две части. При этом возможны различные нарушения наследственного материала. Чаще всего амитоз встречается при патологии, при старении, дегенерации тканей. ЕЩЕ – В СИЛЬНО ПОЛИПЛОИДНЫХ КЛЕТКАХ, НАПРИМЕР, У ИНФУЗОРИИ ПРИ ДЕЛЕНИИ БОЛЬШОГО ЯДРА- МАКРОНУКЛЕУСА
   
3. 
   Эндрорепродукция (ПРИВОДИТ К полиплоидии) – процесс многократного увеличения числа хромосом в результате а) нерасхождения сестринских хроматид в анафазе митоза б) нарушения цитокинеза (т.е. образуются дву- и многоядерные клетки) в) блокирования перехода из фазы G2 к митозу (т.е. клетка вступает в новую S-фазу, минуя митоз).
   

Полиплоидия происходит почти у всех животных (особенно у беспозвоночных) и растений. Степень полиплоидизации может достигать гигантских величин – 100 000 с ДНК (железистые клетки аскариды). Крупные полиплоидные нейроны (до 2 млн с) характерны для нервной системы многих моллюсков. Большинство культурных растений полиплоидные.

Полиплоидизация может происходить при многократной репликации ДНК без дальнейшей спирализации хромосом и без расхождения сестринских хроматид. Клетки не вступают в митоз, ДНК опять реплицируется и вновь не расходится. Образуется гигантская интерфазная хромосома, содержащая множество копий ДНК – политенная хромосома. Они наиболее часто встречаются у насекомых (у дрозофилы в клетках слюнной железы плоидность достигает 1024 с). Биологическое значение полиплоидизации – увеличение синтетической активности клетки и её генетического аппарата за счёт увеличения числа копий генов.

4. 
   .Закрытый митоз – митоз, протекающий без разрушения ядерной оболочки. Встречается у ряда одноклеточных животных НАПРИМЕР, АМЕБЫ, водорослей, дрожжей. Во время закрытого митоза микротрубочки прикрепляются либо я ядерной мембране снаружи, а кинетохорные участки хромосом изнутри; либо веретено располагается внутри специального канала, который образуется в ядре.
   

Беркинблит, часть 2: стр. 19-20, 23-30, 37

Грин: часть 3 (издание 2008 года), стр. 150 -151;

Обухов: стр. 130, 132

Рувинский, часть 1: стр. 138

Билич, Крыжановский. «Анатомия»: стр. 126-127

https://drosophila.narod.ru/Review/ControlPoint.htm#Point – «чекпоинты»

https://ecology-portal.ru/publ/15-1-0-857 - длительность различных фаз