Митотический цикл и его периодизация. Митоз.

1. Митотический цикл клетки

События, происходящие в ядре во время митоза, обычно наблюдают на фиксированных и окрашенных клетках. Такие препараты позволяют увидеть фазы, через которые проходят хромосомы при клеточном делении, но не выявляют их последовательность. Использование метода фазово-контрастной микроскопии позволяет выявить последовательность событий при делении ядра в живой клетке.
Интерфаза. Ее часто неправильно называют стадией покоя. Продолжительность интерфазы различна и зависит от функции данной клетки, однако в среднем интерфаза в клетках растений и животных продолжается 10-20 ч. Это период, во время которого клетка обычно синтезирует органеллы и увеличивается в размерах. Ядрышки хорошо видны и активно синтезируют рибосомный материал.
Непосредственно перед клеточным делением ДНК и гистоны каждой хромосомы реплицируются. Каждая хромосома представлена теперь парой хроматид, соединенных друг с другом центромерой. Вещество хромосом окрашивается и носит название хроматина, но сами эти структуры увидеть трудно. Интерфаза митотического цикла состоит из трех периодов:

- пресинтетического (G1), когда осуществляются синтез специфических белков и другие процессы, подготавливающие клетку к синтезу ДНК;
- синтетического (S), когда синтезируется ДНК;
- постсинтетического, или премитотического (G2).

В интерфазу, когда идут процессы, подготавливающие клетку к митозу, происходит репликация хромосом и накопление энергии, необходимой для прохождения деления клетки (периоды S и G2). Синтез ДНК осуществляется в течение всего S-периода.
Необходимо различать две категории процессов: с одной стороны, процессы, происходящие на молекулярном уровне и подготавливающие клетку к делению, во время которых происходит репликация хромосом; с другой - собственно процесс деления - митоз, во время которого хромосомы распределяются между дочерними клетками.
При изучении ультраструктурных изменений хроматина в течение жизненного цикла клеток в корешках лука-татарки (Allium fistulosum) обнаруживаются четкие различия между ядрами, находящимися в периодах G1 и G2; кроме того, по размерам и тимидиновой метке из массы ядер удается выделить ядра в S-периоде. В G1-периоде в ядрах клеток корешка лука отчетливо видны нити конденсированного хроматина (хромонемы) непостоянной толщины (в среднем 0,25 мкм) и протяженности, а также пристенные крупные теломерные хромоцентры; в ядрах, где осуществляется синтез ДНК, заметно сильное разрыхление нитчатых хромонем. У изучаемого объекта в постсинтетический период толщина хроматиновых нитей возрастала до 0,3-0,35 мкм, а величина периферических хромоцентров увеличивалась вдвое.
Далее в ядрах выявлялась препрофазная организация хроматина, приводящая к формированию митотических хромосом. По мнению ряда отечественных авторов, при синтезе ДНК происходит уменьшение числа зон конденсированного хроматина, вновь возрастающего в постсинтетическом периоде, что, по-видимому, связано с переходом клетки к митозу. Аналогичные сведения содержатся и в работах зарубежных цитологов, по сообщениям которых при переходе от G1-периода к S-периоду в большинстве растительных клеток с хромонемной структурой наблюдаются заметные утолщения конденсированных сегментов хроматина. В то же время в клетках меристемы корешка скерды в S-периоде была обнаружена максимальная дезагрегация хроматина.
В процессе уплотнения хроматина и формирования хромосом число контактов хроматиновых нитей с ядерной оболочкой заметно сокращается, хотя структура оболочки пока еще не претерпевает особых изменений и поры видны четко. В ядрышке обычно незаметно каких-либо перемен. Митотический процесс осуществляется в ряде этапов, или фаз, качественно различающихся между собой.
Каждая предыдущая фаза подготавливает переход к следующей; если для прохождения той или иной фазы не имеется соответствующих условий, течение митоза нарушается, что сказывается на последующем развитии клетки. Удвоение количества ДНК - обязательное условие, предшествующее клеточному делению. При этом одна цепь двойной спирали служит матрицей, определяющей линейное расположение нуклеотидов другой цепи, синтезируемой в результате специфического спаривания комплементарных оснований путем образования водородных связей.
Очевидно, накопление энергии для прохождения митоза происходит за счет АТФ и других макроэргических соединений. По данным некоторых ученых, выявлена некоторая степень чувствительности митоза к отсутствию кислорода в клетках корешков гороха: при минимальных концентрациях кислорода (0,0005 %) уже начавшееся деление клетки продолжается, тогда как при его отсутствии митоз полностью прекращается.
Собственно митоз осуществляется примерно в течение 1-2 ч и более, когда ядро претерпевает ряд сложных, но достаточно хорошо различимых изменений, заключающихся в формировании хромосом, а затем в их распределении между дочерними клетками. На основании проведенных исследований митоз подразделяют на три периода:

1) реорганизация профазы, при которой в интерфазном ядре происходят распад клеточных структур (ядрышка, ядерной оболочки) и синтез структурных элементов хромосом и митотического аппарата;
2) деление и движение, при которых осуществляются метафаза и анафаза;
3) реконструкция, при которой стадия телофазы завершается делением клетки - цитокинезом, или цитотомией.

Движущая сила в процессе деления клетки - клеточный центр, расположенный в интерфазе, чаще всего в центральной части клетки, вблизи ядра. Он принимает активное участие в митотическом делении, входя в состав ахроматинового (делительного) аппарата и определяя полюса делящейся клетки. Клеточный центр, являющийся одной из важнейших органелл клетки, состоит из одного или двух самореплицирующихся образований, называемых центриолями.
Центриоли - цитоплазматические органеллы, пока обнаруженные лишь в клетках животных и некоторых низших растений. Они представляют собой центры, от которых во время митоза звездообразно расходятся нити веретена. Установлено, что в каждом центре имеются две центриоли, образующие диплонему, обычно видимую еще в интерфазе. Клеточный центр, входящий в состав митотического аппарата, наиболее развит в период митоза. Две центриоли, образующие пару, лежат перпендикулярно друг другу и соединяются группами микротрубочек, по три в каждой группе. Полагают, что соседние тройки микротрубочек соединены между собой фибриллами.
Структуры типа центриолей имеются также у оснований ресничек и жгутиков, в этом случае их называют базальными тельцами. Нити веретена имеют трубчатую форму и диаметр около 25 нм. Они образуются во время митоза и мейоза и построены из микротрубочек, состоящих из тубулина и других белков. Прежде считалось, что центриоли играют главную роль организаторов нитей веретена, но теперь от этого мнения отказались. В большинстве растительных клеток центриолей нет, однако у них образуются нити веретена, состоящие из таких же микротрубочек, как и в животных клетках. Некоторые нити веретена идут от одного полюса к другому, тогда как другие образуют пучки, прикрепленные к центромерам хромосом. Как полагают, расхождение дочерних хромосом в анафазе митоза обусловлено движением нитей веретена относительно друг друга.
Как показывают результаты электронно-микроскопических исследований, между нитями двух типов имеются поперечные мостики. Это наводит на мысль, что относительное смещение нитей сходно по своему механизму со скольжением миофиламентов в мышечных волокнах. Добавление колхицина к активно делящимся клеткам подавляет образование веретена, так что пары хроматид остаются там, где они находились в метафазе. Этот метод позволяет производить подсчет хромосом и изучать их структуру под микроскопом. В связи с малыми размерами центриолей их трудно наблюдать прижизненно. Под световым микроскопом на фиксированных и окрашенных препаратах делящихся клеток они обычно окружены светлой зоной, получившей название центросомы.
Электронно-микроскопические исследования этой зоны не обнаружили в ней ни эндоплазматической сети, ни рибосом, ни каких-либо других клеточных органелл. Непосредственно за центросомой располагается более плотная зона - центросфера, от которой отходят лучи звезды, или астросферы.
Современные исследования позволили создать правильное представление о морфологической структуре и размерах центриолей. Их поперечный срез напоминает зубчатое колесо, состоящее из 9 тройных трубочек (триплетов), расположенных по кругу. В продольном сечении они представляют собой полый цилиндр, стенки которого состоят из 27 микротрубочек, лежащих параллельно оси по окружности полого цилиндра. Вторая центриоль диплонемы расположена под прямым углом к первой, они четко разделены и никогда не соприкасаются друг с другом.
По современным представлениям, клеточный центр - самовоспроизводящаяся система, репродукция которой всегда предшествует репродукции хромосом, вследствие чего ее можно рассматривать как первый акт клеточного деления. Митотический аппарат, под которым понимают всю совокупность структур, составляющих ахроматическую фигуру митоза (астросфера, окружающая центриоль, и митотическое веретено, или веретено деления), не является постоянной органеллой клетки. Он формируется в поздней профазе или в ранней метафазе.
При подготовке к делению клетка обеспечивает синтез основной массы веществ, идущих на построение митотического аппарата, занимающих значительную часть делящейся клетки, а также богатых энергией и регулирующих деятельность веретена. В поляризованном свете митотическое веретено обнаруживает положительное двойное лучепреломление, которое в обводненной живой клетке проявляется сильнее, чем в обезвоженной, фиксированной или заключенной в бальзам. Между тем собственное двойное лучепреломление вещества является постоянной величиной, не зависящей от показателя преломления окружающей среды (показатель преломления воды 1,33, канадского бальзама 1,54).
Следовательно, двойное лучепреломление митотического веретена вызывается параллельно расположенными ультраструктурными элементами анизодиаметрической формы, такими, например, как палочки или ламеллы. Подобная оптическая анизотропия получила название структивированного двойного лучепреломления.
Исследование митотического веретена показало, что оно состоит из слабо окрашивающихся белковых нитей двух типов. Одни из них идут от одного полюса делящейся клетки к другому, соединяя таким образом центриоли двух клеточных центров; другие, ахроматиновые нити (называемые иногда хроматиновыми) соединяют центриоли с центромерами хромосом. Эти нити способствуют перемещению хромосом к полюсам клетки в анафазе. При изучении нитей митотического веретена в электронном микроскопе наблюдают волокнистые элементы, построенные из пучков микротрубочек.
Профаза. Она является самой продолжительной фазой клеточного деления. Хроматиды укорачиваются (до 4 % своей первоначальной длины) и утолщаются в результате их спирализации и конденсации. При окрашивании хроматиды четко видны, но центромеры не выявляются. В разных парах хроматиды центромера располагаются по-разному. В животных клетках и у низших растений центромеры расходятся к противоположным полюсам клетки. От каждой центриоли в виде лучей расходятся короткие микротрубочки, образующие в совокупности звезду. Ядрышки уменьшаются, т. к. их нуклеиновая кислота частично переходит в определенные пары хроматид. К концу профазы ядерная мембрана распадается и образуется веретено деления.
Метафаза. Процесс спирализации хромосом продолжается до стадии метафазы, при которой укорочение хромосом достигает максимума. Продолжительность метафазы в разных клетках заметно варьируется. Началом метафазы принято считать период, во время которого хромосомы приближаются к экватору клетки. Конфигурация, образуемая ими при этом, названа экваториальной пластинкой. Отличительная особенность метафазы - определенное расположение центромер в одной плоскости, строго посередине между полюсами. Конфигурация метафазной пластинки зависит от типа клетки. Более мелкие хромосомы обычно находятся в центре пластинки, крупные - по периферии.
В этот период митоза каждая хромосома состоит из двух максимально укороченных хроматид, между которыми имеется продольная щель. В этой фазе обычно подсчитывают число хромосом, а также изучают их морфологическую структуру. Хромосомы в метафазе располагаются перпендикулярно нитям веретена, на равном расстоянии от обоих полюсов, а их центромеры находятся в экваториальной плоскости, в то время как остальные участки хромосом могут помещаться и вне ее.
Экваториальное расположение хромосом в метафазе определяется равнодействием обоих полюсов. Метафаза является как бы паузой в митозе, поскольку в этот период митотический аппарат находится в относительном покое. Пути, по которым хромосомы будут передвигаться в метафазе, отчетливо обозначены хромосомными нитями веретена, соединяющими хромосомы с полюсами деления. Поздняя метафаза, во время которой дочерние хроматиды начинают разъединяться, переходит в раннюю анафазу.
Анафаза. Анафаза наступает вследствие нарушения в равновесии сил, существовавшем в метафазе до деления центромер, скреплявших хроматиды. Весь смысл митотического деления заключается в закономерно протекающем удвоении хромосом и их равномерном распределении между двумя образующимися дочерними клетками. В период ранней анафазы деление центромер осуществляется совершенно синхронно во всех хромосомах данной клетки, после чего хроматиды (теперь их можно именовать дочерними хромосомами) отталкиваются друг от друга и расходятся от экватора к полюсам. При этом в первую очередь отталкиваются центромерные участки хромосом, после чего расходятся к полюсам и сами хроматиды - дочерние хромосомы.
Благодаря развитию и успехам электронной микроскопии, применению электро- и киносъемок, а также усовершенствованию методов исследования живых клеток удалось точно установить пути и скорость передвижения дочерних хромосом в анафазе. Путь, по которому перемещаются хромосомы, в масштабе клетки довольно значителен - от 5 до 25 мкм при скорости примерно от 0,2 до 5 мкм/мин. Эту скорость движения хромосом в анафазе по сравнению с другими видами биологических движений следует считать небольшой, поскольку гранулы, увлекаемые током цитоплазмы в растительной клетке, движутся со скоростью 250 мкм/мин.
В общем, процессы, происходящие в анафазе, следует отнести к двум различным типам движения к расхождению в разные стороны полюсов деления и движению самих хромосом к этим полюсам. Для нормального завершения анафазы необходимо, чтобы все хромосомы собрались у полюсов и, кроме того, чтобы две дочерние хромосомы не оказались у одного и того же полюса. К концу анафазы веретено на экваторе уплотняется и принимает бочонкообразную форму, образуя фрагмопласт. Как только заканчивается перемещение дочерних хромосом от экватора к полюсам, наступает телофаза.

2. Телофаза

Это очень короткая стадия. Каждая центромера расщепляется на две, и нити веретена оттягивают дочерние центромеры к противоположным полюсам. Центромеры тянут за собой отделившиеся одну от другой хроматиды, которые теперь называются хромосомами. Далее хромосомы постепенно деспирализуются, формируются новые дочерние ядра.
Собственно процесс деспирализации начинается еще в ранней телофазе, когда на полюсах образуются две компактные группы хромосом. Далее хромосомы постепенно утрачивают четкость контуров. При этом их эухроматиновые участки полностью деспирализуются, а гетерохроматиновые, сохраняя слабую спирализацию, участвуют в формировании хромоцентров. Одновременно с деспирализацией происходит образование оболочки у вновь возникших дочерних ядер в результате скопления цистерн эндоплазматической сети вокруг хромосом. Процесс реконструкции дочерних ядер как бы повторяет ход профазы в обратном порядке.
В конце телофазы из ядрышкового организатора, или SAT-зоны, формируется одно или несколько ядрышек. Число их у каждого типа клеток - величина постоянная. Изменения, происходящие в обеих клетках, осуществляются синхронно. Нити веретена разрушаются, а центриоли реплицируются.

3. Цитокинез

За телофазой может сразу следовать цитокинез (разделение всей клетки на две). При подготовке к делению клеточные органеллы вместе с хромосомами равномерно распределяются по двум полюсам телофазной клетки. В животных клетках плазматическая мембрана во время телофазы начинает впячиваться внутрь на том уровне, где прежде располагался экватор веретена. Как полагают, это происходит под действием находящихся здесь микрофиламентов. В результате этого впячивания образуется 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 начинают исчезать, сохраняясь лишь в области экваториальной пластинки. Здесь они сдвигаются к периферии клетки, число их увеличивается, и они образуют бочонковидное тельце - фрагмопласт. В эту область перемещаются также микротрубочки, рибосомы, митохондрии и др.
Процесс разрушения веретена, деления на полюсах сопровождается уплотнением его нитей в экваториальной зоне, где формируется новая плазматическая мембрана из фрагмопласта, делящая материнскую клетку пополам. Описание митоза, сделанное после исследования клетки с помощью светового микроскопа, может быть дополнено наблюдениями ультраструктуры ядра под электронным микроскопом.
Согласно электронной микроскопии, первые изменения структуры ядра осуществляются уже в ранней профазе. При этом в процессы перестройки ядра последовательно вовлекаются все его компоненты. Первоначальные изменения проявляются в конденсировании хроматина во всем объеме ядра. По мере нарастания этого процесса возникают митотические хромосомы с максимальной плотностью упаковки в них фибрилл дезоксинуклеопротеида.
Новообразование клеточной оболочки, формирующейся в цитоплазме между двумя телофазными ядрами, перпендикулярно митотическому веретену и, по данным электронной микроскопии, происходит вследствие слияния особых капель. Рост ее центробежно (у некоторых растений в обратном направлении) продолжается до тех пор, пока она не достигнет продольных стенок материнской клетки. Предшественниками этих капель являются субмикроскопические пузырьки Гольджи, сливающиеся между собой в экваториальной плоскости. Между пузырьками располагаются тяжи эндоплазматической сети, впоследствии обеспечивающие контакт между двумя дочерними клетками. Тут же образуется и система плазмодесм, пронизывающих клеточные стенки.
В результате роста клеточной перегородки дочерние клетки оказываются разобщенными срединной пластинкой - будущей клеточной оболочкой. Процесс образования новой клеточной оболочки после митоза происходит следующим образом. Утолщение срединной пластинки осуществляется благодаря присоединению к ней с обеих сторон новых пузырьков Гольджи, вследствие чего молодая клеточная оболочка приобретает бугристую поверхность и превращается в так называемую первичную оболочку. Это вновь возникшее трехслойное образование состоит из изотропного геля, гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Так образуется матрикс клеточной оболочки, представляющий собой аморфную пластичную массу сильно гидратированных углеводов.
После завершения формирования структуры первичной оболочки в ее пластичном матриксе появляются элементарные фибриллы целлюлозы, придающие ей эластичность, прочность и анизотропность. По своим физическим свойствам, целлюлоза - гидрофильный коллоид. Рентгеноструктурные исследования показали, что молекулы целлюлозы, получившие название микрофибрилл, собраны в нитевидные субмикроскопические структуры, в которых они образуют строго ориентированные пучки - кристаллические зоны, чередующиеся с аморфными участками, где молекулы целлюлозы не упорядочены.
Вторичные слои оболочки состоят из плотно сомкнутых микрофибрилл, расположенных либо параллельно длинной оси клетки, либо по спирали. Диаметр микрофибрилл, меняющийся в зависимости от типа ткани, обычно остается постоянным в процессе онтогенеза клетки, но оболочка, в зависимости от выполняемых функций, претерпевает ряд глубоких физико-химических превращений, которые определяют характер ее дифференциации.
Следует отметить, что аппарат Гольджи участвует лишь в построении пластического материала клеточной оболочки, скелетный же остов ее формируется плазмалеммой, которая является не чем иным, как слоем слившихся мембран пузырьков Гольджи. Как видно из электронных микрофотографий, рост клеточной оболочки происходит благодаря выделению содержимого пузырьков Гольджи в периплазматическое пространство и слиянию их мембран с плазмалеммой.
Дальнейший рост клеточной оболочки осуществляется путем ее растяжения - интуссусцепции. В дифференцирующихся клетках камбия пузырьки Гольджи, приближаясь к поверхности клетки, укрупняются и, образуя выпячивания, захватывают гиалоплазму для растяжения клеточной оболочки и одновременного увеличения поверхности плазмалеммы. Этот процесс переноса матрикса цитоплазмы, ограниченный определенными участками, происходит с исключительной быстротой путем экзоцитоза. При этом локальный рост путем интуссусцепции легче всего наблюдать на удлиняющихся клетках, которые, не делясь, растут апикально, например на корневых волосках, пыльцевых трубках, ризоидах и т. п.
Митоз является завершающим этапом в цепи процессов, составляющих в совокупности митотический цикл.

4. Значение митоза

Самое важное событие, происходящее во время митоза, - это равное распределение удвоившихся хромосом между двумя дочерними клетками. Митоз протекает в животных и растительных клетках почти одинаково, но имеется и ряд различий. В результате митоза получаются два ядра, содержащие каждое столько же хромосом, сколько их было в родительском ядре. Эти хромосомы происходят от родительских хромосом путем точной репликации ДНК, поэтому гены их содержат совершенно одинаковую наследственную информацию.
Дочерние клетки генетически идентичны родительской клетке, так что никаких изменений в генетическую информацию митоз внести не может. В результате митозов число клеток в организме увеличивается (процесс, известный под названием гиперплазии), что представляет собой один из главных механизмов роста. Многие виды животных и растений размножаются бесполым путем при помощи одного лишь митотического деления клеток. Кроме того, митоз обеспечивает регенерацию утраченных частей (например, ног у ракообразных) и замещение клеток, происходящее в той или иной степени у всех многоклеточных организмов.