§ 28. Клітинний цикл. Мітоз

Розмноження — невіддільна складова життя. Усі живі організми — це самовідтворювані системи, тобто такі, що здатні розмножуватися 1 . Розмноження властиве й найдрібнішій одиниці живої природи — клітині. Розмноження клітини потребує реплікації ДНК: клітини розмножуються шляхом поділу з утворенням двох ідентичних. Найпростішим є процес поділу бактеріальної клітини. Здебільшого в бактерій одна-єдина хромосома, подвоєння якої відбувається одночасно з діленням клітини. Плазміди бактерій зазвичай представлені великою кількістю копій (від 10 до 1000 копій на клітину). Вони випадковим чином розподіляються між двома нащадками, проте завдяки великій кількості копій до кожної клітини потрапляє щонайменше кілька з них, що забезпечує їх передавання та збереження. Приблизно в такий самий спосіб здійснюється розподіл мітохондрій і хлоропластів у більшості еукаріотів. Вони розмножуються незалежно від ядерного геному, а потім, у процесі поділу, розподіляються між нащадками 2 .

Але з ядерним геномом усе набагато складніше. Річ у тім, що великі геноми еукаріотів організовані у вигляді кількох окремих хромосом, які наявні в ядрі у фіксованій кількості копій (однієї чи кількох). Для таких клітин виникає проблема розподілу хромосом між клітинами-нащадками. Ця проблема спричинила виникнення в еукаріотів складно організованого процесу поділу ядра зі збереженням кількості хромосом — мітозу. У ході мітозу відбувається розподіл хромосом материнської клітини між двома дочірніми, а потім — поділ цитоплазми між дочірніми клітинами. Важливою особливістю еукаріотів є обов’язкове розділення в часі процесів реплікації ДНК і клітинного поділу 3 . Клітина еукаріотів, чи то самостійний організм, чи то клітина ембріона тварини, послідовно проходить стадії реплікації геному та поділу. Таке чергування в життєвому циклі клітини стадій, що повторюються, називається клітинним циклом.

Інтерфаза — період між поділами клітини

Як ми вже з’ясували, клітинний поділ в еукаріотів розподілений у часі з реплікацією ДНК. Тому за проміжок часу між двома мітозами (клітинними поділами) має відбутися реплікація всього ядерного геному. Цей проміжок часу між двома мітозами називають інтерфазою. При цьому кількість ДНК у ядрі збільшується вдвічі. Якщо в клітинах організму є по одній копії кожної молекули ДНК, то в процесі реплікації їхня кількість подвоюється. У клітинах хлібопекарських дріжджів одразу після клітинного поділу в ядрі міститься 16 різних молекул ДНК (16 хромосом). Перед наступним поділом кількість молекул ДНК подвоюється — їх стає 32. А от у людини в ядрі є 2 копії 4 кожної з 23 молекул ДНК (одну копію ми успадкували від батька, другу — від матері), тобто 46 молекул ДНК (хромосом). Перед мітозом кількість їх подвоюється — у клітині з’являється 4 копії кожної з молекул ДНК.

1 Цю здатність утрачають деякі особини в суспільних комах і ссавців.

2 Виняток становлять деякі одноклітинні водорості, що мають лише один хлоропласт. У такому разі поділ хлоропласта суміщений із поділом клітини.

3 У бактерій зазвичай немає особливого обмеження щодо часу реплікації. За найсприятливіших умов вона відбувається практично безперервно, генеруючи нові й нові хромосоми, що розподіляються між нащадками. У подібний спосіб реплікується ДНК мітохондрій і хлоропластів.

4 Щоправда, це не ідентичні копії: вони подібні за складом генів і їх розташуванням, але самі гени можуть відрізнятися.

Рис. 28.1. Клітинний цикл

1. Реплікація ДНК. 2. Мітоз. 3. Дві диплоїдні клітини.

Як ми пам’ятаємо, в еукаріотів ДНК утворює стійкі комплекси з білками — хромосоми, у вигляді яких вона й існує в клітині. Відразу після мітозу ядро клітини людини містить 46 молекул ДНК, організованих у вигляді 46 паличкоподібних хромосом. У такому стані перебуває ДНК більшості клітин нашого тіла. Перед черговим клітинним поділом кількість ДНК, як ми щойно з’ясували, має подвоюватися. Але при цьому нова й стара молекули ДНК залишаються фізично з’єднаними одна з одною, не розділяючись на окремі хромосоми. У цей момент паличкоподібна хромосома набуває Х-подібної форми. Про таку хромосому кажуть, що вона складається із двох хроматид. Кожна хроматида відповідає цілій хромосомі до реплікації ДНК. Розподіл хроматид відбудеться тільки під час мітозу 1 (рис. 28.1).

Як ми знаємо, еукаріотичні хромосоми значно довші за прокаріотичні, тому для пришвидшення їхнього подвоєння реплікація ініціюється одразу в кількох точках хромосоми. Реплікативні вилки рухаються назустріч одна одній і потім зливаються. Дуже важливою особливістю реплікації в еукаріотів є те, що кожна точка початку реплікації спрацьовує лише один раз за весь клітинний цикл, тому ДНК подвоюється вся, рівномірно по всій довжині, і тільки один раз. Цим реплікація еукаріотичних хромосом значно відрізняється від реплікації прокаріотичних.

Мітоз відбувається в кілька стадій

Тепер докладніше розглянемо, як відбувається поділ, на прикладі клітини людини. За час інтерфази відбулася реплікація ДНК, і зараз у ядрі 92 молекули ДНК (по 4 копії кожної з 23), які організовані у вигляді 46 Х-подібних хромосом.

Рис. 28.2. Інтерфаза та фази мітозу

1. Клітинний центр. 2. Ядро. 3. Веретено поділу. 4. Фрагменти ядерної оболонки. 5. Хромосома. 6. Метафазна пластинка. 7. Дочірні хромосоми. 8. Формування ядерної оболонки.

1 Зрозуміло, що після подвоєння ДНК хромосома людини не набуває точнісінько такої форми: у ядрі вона виглядає пухкою, невпорядкованою. Ущільнення хромосоми та набуття нею гарної Х-подібної форми відбудеться безпосередньо в мітозі.

А. Метафаза мітозу тваринної клітини, забарвлення флуоресцентними антитілами. Сині — хромосоми, зелені — нитки веретена поділу. Б. Різні стадії мітозу в клітинах кореня цибулі.

Мітоз відбуватиметься послідовно, у кілька фаз. Довжина й особливості цих фаз відрізняються в різних типів клітин, однак послідовність та основні ознаки залишаються незмінними. Ось стислий опис фаз мітозу (рис. 28.2).

Профаза — перша стадія мітозу. У профазі відбувається ущільнення хромосом: вони набувають Х-подібної форми. Цей процес має назву спіралізація хромосом. Під кінець профази ядерна оболонка розпадається й формується особлива структура цитоскелета — веретено поділу. Воно тягнеться від полюсів клітини до її екватора. Веретено поділу відповідальне за чіткий розподіл хромосом між дочірніми клітинами.

Метафаза: усі хромосоми вишиковуються в площині екватора клітини, формуючи метафазну пластинку (на рисунках зазвичай зображують її поперечний зріз, тому вона нагадує лінію). Кожна з хромосом з’єднується з нитками веретена поділу завдяки своїм центромерам, при цьому різні хроматиди взаємодіють із нитками, спрямованими до різних полюсів клітини.

Анафаза — дуже важливий етап мітозу. Тут необхідно зауважити таке. По-перше, набір ДНК у клітинах людини і так подвоєний, до мітозу клітина, насправді, вступає з чотирикратним набором ДНК. Він ділиться на два подвійні. По-друге, хоча кожна з хромосом у людини представлена у вигляді двох копій, проте ці копії не ідентичні одна одній. Материнська та батьківська хромосоми відрізняються деякими послідовностями ДНК. В інтерфазі ДНК подвоюється й при цьому Х-подібна хромосома складається з двох ідентичних хроматид. В анафазі нитки, приєднані до хроматид, починають скорочуватися, відтягуючи при цьому хроматиди в різні боки. Хроматиди розходяться, перетворюючи Х-подібну хромосому на дві паличкоподібні. У результаті подвоєний набір ДНК розпадається на два однакові. Але тепер кожна хромосома складається не з двох хроматид, як на початку мітозу, а лише з однієї.

Телофаза: кожен набір хромосом починає оточувати власна ядерна оболонка, а веретено поділу остаточно розпадається. Хромосоми втрачають свою ущільнену структуру — деспіралізуються.

Клітина починає фізичний поділ — цитокінез. У тварин цитокінез здійснюється завдяки формуванню перетяжки між двома дочірніми клітинами. Ця перетяжка скорочується та розривається, звільняючи клітини одна від одної. Розгляньте рисунок 28.3, де зображено мітоз у тваринній і рослинних клітинах. А поспостерігати за тим, як відбувається мітоз в ембріона плодової мушки, ви можете, переглянувши відео за посиланням.

Результат мітозу — дві нові клітини, ідентичні материнській

У результаті мітозу одна клітина поділяється на дві ідентичні, із такою самою кількістю хромосом, але вдвічі меншою, ніж була до поділу, кількістю ДНК. Потім ці клітини в процесі інтерфази подвоюють набір ДНК, а потім знову приступають до мітозу. Таким чином, клітини, що діляться мітозом, зберігають набір хромосом і залишаються генетично ідентичними одна одній.

Абсолютна більшість клітин нашого тіла не ділиться. Вони мають 46 паличкоподібних хромосом у ядрі. У таких клітинах клітинний цикл зупинився на певному етапі. А є клітини, як-от клітини ростового шару епідермісу шкіри, що діляться безперервно. Деякі з клітин зазвичай не діляться, але можуть приступити до процесу реплікації ДНК і наступного поділу. Такі, наприклад, гепатоцити — клітини печінки. Як відомо, печінка може відновлюватися після вирізання її частин під час хірургічної операції. Але не всі клітини можуть так відновити клітинний цикл. До прикладу, нейрони людини не можуть вступати в мітоз після того, як спеціалізуються й знайдуть свої позиції в нервовій системі. Отже, біологічне значення мітозу полягає в забезпеченні росту багатоклітинного організму шляхом утворення нових клітин. Процеси регенерації й оновлення тканин також ґрунтуються на цьому типі клітинного поділу. Ба більше, мітоз — основний спосіб розмноження одноклітинних еукаріотів.

Контрольні точки клітинного циклу — місця перевірки готовності до наступних процесів

Клітинний цикл — доволі складний процес, що потребує суворого контролю з боку клітини. Стадії мають іти одна за одною, при цьому кожна наступна стадія мусить починатися тільки після повного завершення попередньої. Якщо мітоз почнеться до завершення реплікації ДНК, то це невідворотно призведе до розривів ДНК і порушення фізичної цілісності хромосом. Початок розходження хромосом в анафазі до того, як нитки веретена поділу зв’язалися з усіма хромосомами, може призвести до нерівномірного розподілу хромосом між дочірніми клітинами: одна може отримати зайві хромосоми, а інша — недоотримати їх.

У клітинному циклі є певні контрольні точки, проходження яких можливе лише після завершення попередньої фази клітинного циклу та гарантує перехід до наступної. Є три основні контрольні точки. Перша з них відповідальна за початок процесу реплікації ДНК і підготовки до поділу. Друга — за перевірку якості та повноти реплікації та готовності до мітозу. Третя вже в самому мітозі — за перевірку приєднання ниток веретена поділу до хромосом. Ця контрольна точка запускає анафазу.

Вивчення проходження першої контрольної точки, відповідальної за вступ до клітинного поділу, допоможе вдосконалити методи регенерації органів і тканин. Однак є й інша причина важливості її дослідження. Неконтрольоване входження клітин до мітозу є однією з основних причин смертності в сучасному світі. Клітина організму, що починає безперервно й неконтрольовано вступати в процес клітинного поділу, у підсумку формує пухлину. Дослідження контролю клітинного циклу можуть пролити світло на те, як стримувати та навіть перемогти рак.

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Клітина людини має 92 хромосоми в

2. Необхідність мітозу в еукаріотів зумовлена

• А високою швидкістю поділу
• Б довгою хромосомою
• В великою кількістю хромосом
• Г великою кількістю мітохондрій і хлоропластів у клітині
• Д великою кількістю плазмід

3. Дві приблизно однакові за об’ємом клітини утворюються в результаті процесу

• А конденсації хромосом
• Б цитокінезу
• В формування веретена поділу
• Г інтерфази
• Д реплікації

4. На мікрофотографії зображено клітину, що перебуває на стадії

5. Кількість спадкового матеріалу подвоюється під час

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Швидше та частіше поділ клітини відбувається в еукаріотів чи прокаріотів? Чим це зумовлено?

7. На зображенні стадій мітозу в клітинах кореня цибулі (рис. 28.3) знайдіть різні фази мітозу. Поясніть, на підставі яких критеріїв вам удалося це зробити.

8. Хромосоми вихідної клітини подібні, але дещо різняться, оскільки отримані від різних батьків. Чи збережеться така відмінність у клітинах, що утворилися в результаті поділу, і чому?

9. Для яких клітин характерні коротка інтерфаза та частий мітоз? Чому неможливе послідовне проходження двох мітозів без інтерфази?

10. Чи відбувся б мітоз без однієї з фаз? Спрогнозуйте наслідки вилучення різних фаз із мітозу.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Які клітини організму дорослої людини не здатні ніколи ділитися? Від чого залежить така особливість названих клітин?

12. Веретено поділу — це не просто нитки-гумки, а складний механізм. Які частини є у веретена поділу? Як працює веретено, що стягує хромосоми до полюсів?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. У результаті втрати клітиною контролю за клітинним циклом в організмі починає рости пухлина. Які відмінності між доброякісними та злоякісними пухлинами? Як із пухлинами можна боротися?

14. До яких наслідків призводить неправильне розходження хромосом в анафазі? Від чого залежить частота таких порушень?

15. Нові клітини можуть утворюватися зі стовбурових клітин, що постійно діляться. Схарактеризуй особливості стовбурових клітин. Як ці клітини використовують у медицині?

Доповнення IX

Арсеній Забірник

Закінчив Харківський фізико-математичний ліцей № 27 у 2004 році. Переможець всеукраїнських олімпіад і турнірів з біології. Навчався в Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна. Захистив дисертацію на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук в Інституті молекулярної біології і генетики в Санкт-Петербурзі. Зараз працює в Інституті фундаментальної медицини Університету Осло.

Ракові клітини не можуть припинити ділитися

Рак — це один із різновидів злоякісних пухлин, що виростають із клітин епітеліальної тканини. Проте частіше термін «рак» вживаються у ширшому розумінні — для позначення всього спектру захворювань, пов’язаних із розвитком злоякісних пухлин. Є багато теорій розвитку раку, але всі вони відображають лише різні сторони одного процесу: ушкодження генетичного матеріалу клітини, що призводить до втрати контролю над поділом клітин і в результаті до виникнення пухлини. За оцінками учених, щоб клітина стала раковою, у ній має послідовно накопичитися від 3 до 10 незалежних мутацій. Ці мутації порушують функціонування генів, що пригнічують пухлину і, навпаки, активують гени, що сприяють раковому перетворенню. Щодня в організмі людини утворюються клітини, які мутували та з яких може розвинутися рак, але його розвиткові перешкоджає багато бар’єрів. Лише клітина, що здолала їх усі, стає раковою.

Пухлинна клітина має стати самодостатньою щодо отримання сигналів початку поділу, оскільки в нормі для початку поділу клітині потрібно отримати стимул іззовні у вигляді фактору росту. Ракові клітини можуть уникати цієї залежності шляхом синтезу власних факторів росту. Крім того, у деяких ракових клітинах виявляються мутантні форми специфічних білків, які поводяться, як запала кнопка дверного дзвінка: посилають постійні сигнали до поділу клітини. Але цього замало для безконтрольного поділу клітин, оскільки він буде зупинений сигналами припинення росту, що йдуть від нормальних клітин навколо. Проте ракові клітини можуть набувати несприйнятливості до таких сигналів.

Зазвичай пухлина та її численні колонії (метастази) виникають із лише однієї первісної ракової клітини. І для того щоб із мікроскопічної клітини могла виникнути пухлина, ракові клітини повинні мати здатність до постійного поділу та росту. У нормі більшість клітин організму має здатність ділитися обмежену кількість разів (близько 50). Це обмеження зумовлене скороченням при кожному поділі особливих послідовностей на кінцях хромосом — теломер. Після критичного вкорочення теломер клітини гинуть. А ракові клітини можуть синтезувати фермент теломеразу, що «добудовує» теломери після кожного поділу.

У нормі клітина з порушеннями поділу та спеціалізації знищується. Але ракові клітини набувають здатності уникати свого виявлення та знищення. Крім того, ракові клітини стають несприйнятливими до зовнішніх механізмів, що запускають знищення клітини. Вони також успішно маскуються, щоб їх не виявили антитіла й імунні клітини-кілери.

Здавалося б, дивно, що ракова клітина долає всі ці, а також багато інших, не згаданих тут, бар’єрів. Насправді ж, тут нічого дивного немає: вона вже бореться не на самоті! Ракова клітина починає ділитися, і при цьому механізми запобігання мутаціям і геномним перебудовам уже значно порушені. У результаті виникають дочірні клітини зі щоразу новими змінами. А тим часом системи організму борються, щоб зупинити та знищити пухлинні колонії. І тут ми бачимо, як відбувається своєрідний природний добір усередині організму! Серед мільйонів клітин, що потенційно можуть стати раковими, він уже відібрав клітину, яка має здатність нескінченно та безконтрольно ділитися. А далі перевагу отримують ті, хто найшвидше ділиться, успішніше долає системи стримування та контролю, а також найкраще ховається від виявлення й знищення імунною системою.

Таким чином, із часом ракові клітини не тільки не можуть припинити ділитися, а й навпаки — ростуть швидше, стаючи злоякіснішими й набувають стійкості до заходів, що вживають проти них організм людини чи лікарі.

3. Мітоз

Мітоз — непрямий поділ соматичних клітин еукаріотичних організмів, при якому відбувається утворення двох дочірніх клітин, хромосомні набори яких такі самі, як у материнській клітині.

Підготовка клітини до мітозу відбувається в інтерфазі: подвоюється ДНК, накопичується АТФ, синтезуються білки веретена поділу, подвоюються центріолі.

Мітоз включає у себе два процеси: каріокінез (поділ ядра) і цитокінез (поділ цитоплазми).

Виділяють чотири фази мітозу: профазу , метафазу , анафазу і телофазу .

У схемах поділу гаплоїдний набір хромосом позначають літерою \(n\), а молекул ДНК (тобто хроматид ) — літерою \(с\). Перед літерами вказують кількість гаплоїдних наборів:
\(1n2с\) — гаплоїдний набір подвоєних хромосом,
\(2n2с\) — диплоїдний набір поодиноких хромосом,
\(2n4с\) — диплоїдний набір подвоєних хромосом.

у клітинах людини гаплоїдний набір становлять \(23\) хромосоми. Отже, запис \(2n2с\) означає \(46\) хромосом і \(46\) хроматид, а \(2n4с\) — \(46\) хромосом і \(92\) хроматиди, тощо.

У ядрі молекули ДНК коротшають і скручуються (спіралізуються), утворюючи компактні хромосоми .
Кожна хромосома складається з двох молекул ДНК ( двох хроматид ), з’єднаних центромерою .
Ядерна оболонка розпадається.
Хромосоми невпорядковано розташовуються у цитоплазмі.
Розчиняються ядерця.
Починає формуватися веретено поділу , частина ниток якого прикріплюється до центромерів хромосом.
У тваринній клітині починають розходитися центріолі.

Хромосоми розташовуються на екваторі клітини, утворюючи метафазну пластинку .
Хроматиди з’єднані у сфері первинної перетяжки з нитками веретена поділу.
Центріолі розташовуються біля полюсів клітини.

Кожна хромосома, що складається із двох хроматид, поділяється на дві ідентичні дочірні хромосоми .
Дочірні хромосоми розтягуються нитками веретена поділу до полюсів клітини.
У кожного полюса виявляється однаковий генетичний матеріал.

Хромосоми розкручуються.
Навколо хромосом починають формуватися ядерні оболонки.
У ядрах з’являються ядерця.
Нитки веретена поділу руйнуються.

У цьому каріокінез завершується. Відбувається цитокінез — поділ цитоплазми.

Біологічне значення мітозу
У результаті мітозу утворюються генетично однакові дочірні клітини з тим самим набором хромосом, що був у материнської клітини. Зберігається наступність у ряді клітинних поколінь.