Митоз. Гайд для желающих удвоить количество клеток

Дисклеймер: процессы, описанные в посте, упрощены для школьной программы, приправлены метафорами и могут не в полной мере соответствовать суровой реальности.

Что такое митоз? Если коротко, то это продвинутый, многоэтапный и высокоскоординированный процесс, в результате которого из одной клетки получаются две его копии. Митоз еще называют непрямым делением, и слово «непрямое» не сулит ничего хорошего школьникам и студентам, пытающимся разобраться в этом запутанном процессе. Может ли клетка пожалеть студентов-биологов и просто разделиться пополам без всяких причуд?

На самом деле, это возможно. Этот процесс называется простым двоичным делением («двоичный» означает «двоичный», как в компьютерном коде, состоящем из 0 и 1). Именно так делятся братья наши меньшие прокариоты, т е одноклеточные организмы, не имеющие ядра, например бактерии.

Наследственную информацию (как у бактерий, так и у нас с вами) несут хромосомы. Каждая хромосома состоит из пары сестринских хроматид (представьте их как девочек-близнецов, держащихся за руки*). Эта пара неразлучна, но когда клетка становится достаточно большой и достаточно опытной, чтобы произвести потомство, сёстры-хроматиды тоже должны вырасти и уйти. Каждый получает свой дом (дочернюю ячейку), а затем живет с новым соседом.

*кстати, место, где хроматиды держатся за руки, будет называться центромерой.

Для бактерий одна хромосома — это максимум, а это значит, что им нужно иметь дело только с одной парой близнецов. Достаточно поставить между ними перегородку (стенку клетки), чтобы они послушно пошли домой.

Простое бинарное деление у бактерий

Как правило, у нас, людей, 46 хромосом — и нам далеко до рекорда по количеству. Вы когда-нибудь пытались организовать девяносто два проблемных близнеца так, чтобы они разделились на две одинаковые группы? Пожалуй, на такой подвиг способны только учителя начальной школы, а эукариотические клетки (то есть клетки, имеющие ядро) должны прибегнуть к трюку, называемому митозом.

Митоз делится на пять фаз, которые лично я никогда не мог запомнить в правильном порядке, поэтому вместо зубрежки я просто выучил еще одно очень полезное для биолога слово: ПРИМАТ.

Пр - профаза

Я - интерфаза

М - метафаза

А – анафаза

Т - телофаза

Меняем местами первые два этапа друг с другом — и вуаля! Весь митоз перед нами как на ладони. Остается только выяснить, что именно делает клетка на каждой из этих фаз.

0. Интерфаза.

По сути, интерфаза — это еще не фаза митоза, а скорее фаза между двумя митозами (приставка «интер-» означает «между», например «Интернет» = «межсеть»). В интерфазе клетка питается, растет, синтезирует необходимые ей молекулы и, самое главное, реплицирует (то есть удваивает) генетический материал. Чтобы клетка могла жить, достаточно одной копии ДНК – но чтобы не лишать ни одной из своих дочерей, она должна приобрести две. Если бы дупликация ДНК не происходила в интерфазе, разделение наследования между дочерними клетками было бы проблемой.

1. Профаза.

Приставка «про-» означает то же, что и «пре-». Профаза – предшествующая фаза, подготовительная стадия. В профазе происходит конденсация хромосом, ядерная мембрана разрушается и формируется веретено.

Почему и почему происходит конденсация хромосом? Дело в том, что в активном состоянии хромосома представляет собой не знакомый нам по рисункам крест или даже букву Х, а, скорее, размотанный клубок, за которым котенок уже давно гоняется по квартире.

Обратите внимание: Животные-хищники: 12 видов, питающихся своими собратьями.

Пока хромосома раскручена, некоторые участки доступны для чтения из нее генетических инструкций. Если мы начнем наматывать клубок пряжи, большая часть нити неизбежно окажется где-то в глубине. И каждый раз, когда нам нужно прочитать инструкцию, как назло, а не лежать на поверхности, нам приходится расслаблять весь шарик.

Но мяч гораздо удобнее держать в руках. А два аккуратных, туго скрученных клубка гораздо легче разделить между двумя дочерьми, чем запутанные и переплетающиеся нитки, которые лапает игривый котенок. Кроме того, клетке теперь некогда выполнять избыточные инструкции: она полностью сосредоточена на делении, почти как роженица. Поэтому при пророчестве митоза хромосомы конденсируются, и их функциональная активность (способность отдавать инструкции) угасает.

При этом ядерная мембрана (защитная оболочка, отделяющая хромосомы от цитоплазмы клетки) разрушается и начинает формироваться веретено - главный регулятор митоза, который направит близнецов к новому дому (дочерним клеткам).

Профаза

2. Метафаза.

На этом этапе продолжаются многие процессы, начавшиеся на предыдущей фазе: хромосомы еще сильнее конденсируются и полностью теряют свою функциональную активность. Хроматиды по-прежнему держатся за руки и выстраиваются в столбик по два на экваторе клетки, образуя так называемую экваториальную (или метафазную) пластинку. Наконец, нити веретена прикрепляются к центромерам. Теперь одна из сестер-хроматид связана условно с южным полюсом клетки, а другая — с северным.

Метафаза

3. Анафаза.

Драма! До свидания! Рука сестры выскальзывает из ослабевшей хватки сестры. Хроматиды движутся к полюсам клетки, направляемые нитями веретена, подобно канатной дороге.

Анафаза

4. Телофаза.

Когда «южный» и «северный» близнецы наконец занимают свое место, веретено отпадает за ненадобностью. Происходят процессы, противоположные тем, которые уже претерпела материнская клетка в профазе: вокруг каждого из двух наборов хроматид восстанавливается ядерная оболочка, и хромосомы начинают деконденсироваться (раскручиваться). Наконец, цитоплазма делится (происходит цитокинез). Образуются две дочерние клетки, идентичные материнской. Настала их очередь расти и, возможно, набираться сил для нового митоза. Добро пожаловать обратно в интерфазу!

Телофаза и цитокинез

PS для школьников и учеников:

Также необходимо знать, как обозначается число хромосом и хроматид на разных стадиях митоза.

Число хромосом в диплоидных (нерепродуктивных) клетках записывается как 2n («ди» означает «два», как и в слове «диалог», отсюда два) и остается неизменным до тех пор, пока хроматиды не разделятся в анафазе. Поскольку мы разделили близнецов и разбили хромосомы пополам, получилось 4n. Но каждому полюсу достается половина набора, поэтому в конце телофазы каждая дочерняя клетка имеет такое же количество хромосом, какое было изначально в материнской клетке: 2n.

Число хроматид первоначально соответствует числу хромосом (2в), после репликации ДНК оно умножается на два в конце интерфазы (4в) и снова делится на два в конце телофазы (2в), когда дочерние клетки окончательно разделять.

Итого (помним о первенстве):

I (интерфаза): 2n2c —> 2n4c

Пр (профаза): 2n4c

М (метафаза): 2n4c

А (анафаза): 4n4c (2n2c на каждом полюсе)

Т (телофаза): 2n2c в двух клетках