Деление клетки - Cell division

Деление клеток у прокариот (бинарное деление) и эукариот (митоз и мейоз)

Деление клетки - это процесс, при котором родительская клетка делится на две или более дочерних клетки. Деление клеток обычно происходит в рамках более крупного клеточного цикла . У эукариот есть два различных типа клеточного деления; вегетативное деление, при котором каждая дочерняя клетка генетически идентична родительской клетке ( митоз ), и деление репродуктивной клетки, в результате чего количество хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое с образованием гаплоидных гамет ( мейоз ). В клеточной биологии , митоз ( / maɪtoʊsɪs / ) является частью клеточного цикла , в котором, реплицируемые хромосомы разделены на два новых ядер. При делении клеток возникают генетически идентичные клетки, в которых сохраняется общее количество хромосом. В общем, митозу (делению ядра) предшествует S-стадия интерфазы (во время которой реплицируется ДНК) и часто следует телофаза и цитокинез ; который делит цитоплазму , органеллы и клеточную мембрану одной клетки на две новые клетки, содержащие примерно равные доли этих клеточных компонентов. Различные стадии митоза вместе определяют митотическую ( М ) фазу цикла животных клеток - деление материнской клетки на две генетически идентичные дочерние клетки. Мейоз приводит к появлению четырех дочерних гаплоидных клеток в результате одного раунда репликации ДНК, за которым следуют два деления. Гомологичные хромосомы разделяются в первом делении, а сестринские хроматиды разделяются во втором делении. Оба этих цикла деления клеток используются в процессе полового размножения в какой-то момент своего жизненного цикла. Считается, что оба они присутствовали в последнем общем предке эукариот.

Прокариоты ( бактерии и археи ) обычно подвергаются вегетативному делению клеток, известному как бинарное деление , при котором их генетический материал поровну разделяется на две дочерние клетки. Хотя бинарное деление может быть средством деления большинства прокариот, наблюдались альтернативные способы деления, такие как почкование . Всем клеточным делениям, независимо от организма, предшествует один раунд репликации ДНК .

Для простых одноклеточных микроорганизмов, таких как амеба , одно деление клетки эквивалентно воспроизводству - создается целый новый организм. В более крупном масштабе деление митотических клеток может дать потомство многоклеточных организмов, таких как растения, вырастающие из черенков. Деление митотических клеток позволяет организмам, размножающимся половым путем, развиваться из одноклеточной зиготы , которая сама была произведена мейотическим делением клеток из гамет . После роста клеточное деление путем митоза позволяет непрерывно строить и восстанавливать организм. Человеческое тело переживает около 10 квадриллионов клеточных делений за жизнь.

Первоочередная задача клеточного деления - поддержание генома исходной клетки . Прежде чем может произойти деление, геномная информация, которая хранится в хромосомах, должна быть реплицирована, а дублированный геном должен быть четко разделен между клетками. Большая часть клеточной инфраструктуры участвует в поддержании согласованности геномной информации между поколениями.

Деление клеток у бактерий

Комплексы дивизом и элонгасом, ответственные за синтез пептидогликана во время роста и деления латеральной клеточной стенки.

Деление бактериальных клеток происходит посредством бинарного деления или почкования. Divisome представляет собой белковый комплекс бактерий , который отвечает за деление клеток, сужению внутренних и наружных мембран во время деления и синтеза пептидогликана (PG) на участке разделения. Тубулиноподобный белок FtsZ играет решающую роль в формировании сократительного кольца для деления клеток.

Деление клеток в эукариотах

Деление клеток у эукариот намного сложнее, чем у прокариот. В зависимости от количества хромосом уменьшено или нет; Деления эукариотических клеток можно разделить на митоз (эквациональное деление) и мейоз (редукционное деление). Обнаружена также примитивная форма деления клеток, которая называется амитозом . Амитотическое или митотическое деление клеток более нетипично и разнообразно у различных групп организмов, таких как простейшие (а именно диатомеи, динофлагелляты и т. Д.) И грибы.

В митотической метафазе (см. Ниже) обычно хромосомы (каждая с двумя сестринскими хроматидами, которые они развили в результате репликации в S-фазе интерфазы) располагаются, а сестринские хроматиды расщепляются и распределяются по дочерним клеткам.

В мейозе, как правило, в мейозе-I гомологичные хромосомы спариваются, а затем разделяются и распределяются по дочерним клеткам. Мейоз-II подобен митозу, в котором хроматиды разделены. У человека и других высших животных и многих других организмов мейоз называется гаметным мейозом, то есть мейоз дает начало гаметам. В то время как у многих групп организмов, особенно у растений (наблюдаемых у низших растений, но рудиментарная стадия у высших растений), мейоз дает начало видам спор, которые прорастают в гаплоидную вегетативную фазу (гаметофит). Этот вид мейоза называется споровым мейозом.

Фазы деления эукариотических клеток

Межфазный

Интерфаза - это процесс, через который клетка должна пройти перед митозом, мейозом и цитокинезом . Интерфаза состоит из трех основных фаз: G 1 , S и G 2 . G 1 - это время роста клетки, когда выполняются специализированные клеточные функции, чтобы подготовить клетку к репликации ДНК. Во время интерфазы есть контрольные точки, которые позволяют клетке либо продвигаться, либо останавливать дальнейшее развитие. Одна из контрольных точек находится между G1 и S, цель этой контрольной точки - проверить соответствующий размер клетки и любое повреждение ДНК. Вторая контрольная точка находится в фазе G2, эта контрольная точка также проверяет размер клетки, а также репликацию ДНК. Последняя контрольная точка расположена в месте метафазы, где она проверяет правильность соединения хромосом с митотическими веретенами. В S-фазе хромосомы реплицируются для сохранения генетического содержимого. Во время G 2 клетка проходит заключительную стадию роста, прежде чем она войдет в фазу M, где синтезируются веретена . Фаза M может быть митозом или мейозом в зависимости от типа клетки. Зародышевые клетки или гаметы претерпевают мейоз, в то время как соматические клетки претерпевают митоз. После успешного прохождения клеткой фазы М она может подвергнуться клеточному делению посредством цитокинеза. Контроль каждой контрольной точки контролируется циклин и циклин-зависимыми киназами . Развитие интерфазы является результатом увеличения количества циклина. По мере увеличения количества циклина все больше и больше циклинзависимых киназ присоединяются к циклину, передавая сигнал клетке дальше в интерфазу. На пике циклина, присоединенного к циклинзависимым киназам, эта система выталкивает клетку из интерфазы в фазу М, где происходят митоз, мейоз и цитокинез. Есть три контрольных точки перехода, которые клетка должна пройти перед переходом в фазу M. Наиболее важным из них является контрольная точка перехода G 1 -S. Если клетка не проходит эту контрольную точку, это приводит к выходу клетки из клеточного цикла.

Профаза

Профаза - это первая стадия деления. На этом этапе ядерная оболочка разрушается, длинные нити хроматина конденсируются, образуя более короткие и видимые нити, называемые хромосомами, ядрышко исчезает, а микротрубочки прикрепляются к хромосомам на дискообразных кинетохорах, присутствующих в центромере. Микротрубочки, связанные с выравниванием и разделением хромосом, называются веретено и волокна веретена. Хромосомы также будут видны под микроскопом и будут соединены центромеры. Во время этого периода конденсации и выравнивания в мейозе гомологичные хромосомы претерпевают разрыв в своей двухцепочечной ДНК в одних и тех же местах, за которым следует рекомбинация уже фрагментированных родительских цепей ДНК в не родительские комбинации, известные как кроссинговер. Доказано, что этот процесс в значительной степени вызван высококонсервативным белком Spo11 через механизм, аналогичный тому, который наблюдается с топосомеразой при репликации и транскрипции ДНК.

Метафаза

В метафазе , что центромеры хромосом созывает себя на метафазы пластины (или экваториальной пластины ), воображаемой линии , которая находится на равном расстоянии от двух центросомой полюсов и скрепленных комплексных комплексов , известных как cohesins . Хромосомы выстраиваются в середину клетки за счет центров организации микротрубочек (MTOC), которые толкают и притягивают центромеры обеих хроматид, заставляя хромосому перемещаться к центру. На данный момент хромосомы все еще конденсируются и в настоящее время находятся в одном шаге от того, чтобы быть наиболее свернутыми и конденсированными, как они будут, а волокна веретена уже соединены с кинетохорами. Во время этой фазы все микротрубочки, за исключением кинетохор, находятся в состоянии нестабильности, способствуя их продвижению к анафазе. В этот момент хромосомы готовы разделиться на противоположные полюса клетки по направлению к веретену, с которым они связаны.

Анафаза

Анафаза - это очень короткая стадия клеточного цикла, которая возникает после выравнивания хромосом в митотической пластинке. Кинетохоры испускают сигналы ингибирования анафазы до момента их прикрепления к митотическому веретену. Как только последняя хромосома правильно выровнена и прикреплена, последний сигнал рассеивается и вызывает резкий переход к анафазе. Этот резкий сдвиг вызван активацией комплекса, способствующего анафазе, и его функцией маркировки деградации белков, важных для перехода от метафазы к анафазе. Одним из этих белков, который расщепляется, является секурин, который в результате своего расщепления высвобождает сепаразный фермент, который расщепляет когезиновые кольца, удерживающие вместе сестринские хроматиды, тем самым приводя к разделению хромосом. После того, как хромосомы выстроятся в линию в середине клетки, волокна веретена разделят их. Хромосомы разделяются, а сестринские хроматиды перемещаются в противоположные стороны клетки. Поскольку сестринские хроматиды раздвигаются, клетка и плазма удлиняются за счет некинетохорных микротрубочек.

Телофаза

Телофаза - это последняя стадия клеточного цикла, в которой борозда расщепления расщепляет цитоплазму клеток (цитокинез) и хроматин. Это происходит за счет синтеза новых ядерных оболочек, которые формируются вокруг хроматина, который собирается на каждом полюсе, и реформирования ядрышка, когда хромосомы возвращают свой хроматин обратно в рыхлое состояние, которым он обладал во время интерфазы. Разделение клеточного содержимого не всегда одинаково и может варьироваться в зависимости от типа клеток, как видно на примере образования ооцитов, когда одна из четырех дочерних клеток обладает большей частью цитоплазмы.

Цитокинез

Последний этап процесса деления клеток - цитокинез . На этой стадии происходит деление цитоплазмы в конце митоза или мейоза. На этом этапе происходит необратимое разделение, ведущее к двум дочерним клеткам. Деление клетки играет важную роль в определении судьбы клетки. Это связано с возможностью асимметричного разделения. В результате это приводит к цитокинезу, продуцирующему неравные дочерние клетки, содержащие совершенно разные количества или концентрации определяющих судьбу молекул.

У животных цитокинез заканчивается образованием сократительного кольца, а затем и расщеплением. Но у растений бывает иначе. Сначала образуется клеточная пластинка, а затем между двумя дочерними клетками развивается клеточная стенка.

У делящихся дрожжей ( S. pombe ) цитокинез происходит в фазе G1.

Варианты

Изображение митотического веретена в клетке человека, на котором микротрубочки показаны зеленым, хромосомы (ДНК) - синим, а кинетохоры - красным.

Клетки широко подразделяются на две основные категории: простые безъядерные прокариотические клетки и сложные ядерные эукариотические клетки. Из-за своих структурных различий эукариотические и прокариотические клетки не делятся одинаково. Кроме того, паттерн деления клеток, который превращает эукариотические стволовые клетки в гаметы ( сперматозоиды у мужчин или яйцеклетки у женщин), называемый мейозом, отличается от такового при делении соматических клеток в организме. Изображение митотического веретена в клетке человека, на котором микротрубочки показаны зеленым, хромосомы (ДНК) - синим, а кинетохоры - красным.

Деление клеток более 42. Клетки были непосредственно отображены в сосуде для культивирования клеток с использованием неинвазивной количественной покадровой микроскопии с фазовым контрастом .

Деградация

Многоклеточные организмы заменяют изношенные клетки путем деления клеток. Однако у некоторых животных деление клеток со временем останавливается. У людей это происходит в среднем после 52 делений, известных как предел Хейфлика . В таком случае клетка называется стареющей . С каждым делением теломеры клеток , защитные последовательности ДНК на конце хромосомы , предотвращающие деградацию хромосомной ДНК, укорачиваются . Это сокращение коррелировало с негативными эффектами, такими как возрастные заболевания и сокращение продолжительности жизни у людей. С другой стороны, считается, что раковые клетки не деградируют таким образом, если вообще не разлагаются. Фермент комплекс под названием теломераза , присутствует в больших количествах в раковых клетках, перестраивает теломеры посредством синтеза теломерных повторов ДНК, позволяя разделение продолжать до бесконечности.

История

Курт Мишель со своим фазово-контрастным микроскопом

Деление клеток под микроскопом было впервые обнаружено немецким ботаником Гуго фон Молем в 1835 году, когда он работал над зеленой водорослью Cladophora glomerata .

В 1943 году Курт Мишель впервые сфотографировал деление клеток с помощью фазово-контрастного микроскопа .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение