Фази мітозу — визначення, стадії та особливості

Що спільного між кишківником, дріжджами в тісті і жабою, що розвивається? У всіх них є клітини, які діляться, щоб виробляти більше клітин, які генетично ідентичних собі.

Такий поділ відбувається відповідно до фазами мітозу. Чому всі ці організми потребують мітозу? Кишкові клітини повинні бути замінені, оскільки зношуються, клітини дріжджів повинні розмножуватися, щоб зберегти популяцію, а пуголовок повинен виробляти нові, стаючи більше і складніше.

Визначення мітозу

Мітоз-це тип поділу клітин, при якому одна материнська ділиться, щоб зробити дві нові генетично ідентичні дочірні. У контексті клітинного циклу мітоз є частиною процесу поділу, що відбувається послідовно, при якому ДНК ядра розділяється на два рівних набору хромосом:

• Під час мітозу одна клітина ділиться один раз, щоб сформувати дві однакові.
• Головною метою мітозу є зростання і заміна зношених клітин.
• Якщо не виправити помилки, що виникли під час мітозу, це викличе зміни в ДНК, що призведе до генетичних порушень.

У процесі тривалого розвитку і зростання мітоз наповнює організм клітинами, а протягом усього життя він замінює старі зношені новими. Для одноклітинних еукаріотів, якими є дріжджі, мітотичні ділення фактично є основою розмноження, додаючи в популяцію нових особин.

Мітоз у тварин вперше зміг відкрити в. Флеммінг в 1882 році, а в 1888 році Е.Страсбургер у рослин.

Стадії поділу клітин

Мітоз складається з чотирьох основних стадій. Вони мають чітку черговість:

Тут часто виникають розбіжності, оскільки деякі підручники перераховують 5, розбиваючи профазу на ранню фазу (інтерфазу) і пізню фазу (звану прометафазою). Вони відбуваються в суворому послідовному порядку, а також цитокінез, який починається в анафазі або телофазі. Для того щоб стало зрозуміло, якими характеристиками володіють фази, слід розглянути коротко сутність кожної з них.

Інтерфаза

Майже 80% тривалості життя клітини витрачається в міжфазної стадії мітозу. На цьому етапі поділ немає, але відбувається період зростання і підготовка до поділу. ДНК дублюється під час цієї фази, створюючи дві копії кожної ланцюга, званої хромосомою – молекулою ДНК, яка несе всю або частину спадкової інформації організму.

Можна перерахувати стадії, характерні для інтерфази. Вони розділені на:

Фаза G1 – це період до синтезу ДНК, протягом якого клітина збільшується в розмірах. Під час фаз G1 клітини ростуть і контролюють своє середовище, щоб визначити, чи слід їм ініціювати ще один раунд поділу.

Профаза

Після підготовчої стадії інтерфази профазу вважають першою істинною стадією мітотичного процесу. Під час ранньої профази клітина починає руйнувати одні структури і створювати інші, готуючись до поділу хромосом. Дубльовані хромосоми з міжфазної стадії конденсуються. Це означає, що вони ущільнюються і щільно намотуються. Ядерна оболонка руйнується, і на краях клітини, що ділиться, формується апарат, відомий як мітотичне веретено.

Шпиндель складається з сильних білків, званих мікротрубочками, які є частиною «скелета» клітини і керують поділом за допомогою подовження. Шпиндель поступово подовжується під час профази. Його сенс полягає в організації хромосом і їх переміщенні під час поділу.

До кінця профази ядерна оболонка руйнується, і мікротрубочки досягають від кожного полюса до екватора. Кінетохори, спеціалізовані області в центромерах хромосом — – області ДНК, де сестринські хроматиди найбільш тісно пов’язані — прикріплюються до типу мікротрубочок, званих волокнами кінетохор. Ці волокна взаємодіють з полярними волокнами веретена, поєднуючи кінетохори з полярними волокнами, що стимулює міграцію хромосом до ядра. Цю частину процесу іноді називають прометафазою, тому що вона відбувається безпосередньо перед метафазою.

Метафаза

На самому початку метафазної стадії пари конденсованих хромосом шикуються уздовж екватора витягнутої клітини. Оскільки вони ущільнені, вони можуть рухатися легше, не заплутуючись.

Під час метафази ядерна мембрана повністю зникає. У клітинах тварин дві пари центріолей розташовуються на протилежних полюсах, а полярні волокна продовжують простягатися від полюсів до центру. Хромосоми рухаються випадковим чином до тих пір, поки вони не прикріпляться з обох сторін їх центромер до полярних волокон.

Хромосоми розташовуються на метафазной платівці під прямим кутом до полюсів веретена і утримуються там рівними силами полярних волокон, що чинять тиск на центромери хромосом. Метафазна пластинка не є фізичною структурою-це просто термін для площини, в якій розташовані хромосоми.

Перш ніж перейти до наступної стадії анафази, відбувається перевірка, чи всі хромосоми знаходяться на метафазної платівці, а кінетохори правильно прикріплені до мікротрубочок. Це називається контрольною точкою шпинделя. Вона забезпечує рівномірний розподіл пар хромосом, також званих сестринськими хроматидами, між двома дочірніми на стадії анафази. Якщо хромосома неправильно вирівняна або прикріплена, поділ припиниться до тих пір, поки проблема не буде вирішена.

У рідкісних випадках вона не припиняє поділ, і при мітозі допускаються помилки. Це може призвести до змін ДНК, які потенційно можуть призвести до генетичних порушень.

Анафаза

Під час анафази сестринські хроматиди тягнуться до протилежних полюсів (кінців) витягнутої клітини. Білковий “клей”, що утримує їх разом, руйнується, дозволяючи їм розвалитися. Це означає, що дублікати ДНК клітини виявляються по обидві сторони від клітини і готові повністю розділитися. Кожна Сестринська хроматида тепер є власною» повною ” хромосомою. Тепер вони називаються дочірніми хромосомами. На цьому етапі мікротрубочки стають коротшими, що дозволяє почати процес поділу клітин.

Дочірні хромосоми проходять через механізм веретена, щоб досягти протилежних полюсів. Коли хромосоми наближаються до полюса, вони спочатку мігрують центромерами, а волокна кінетохор скорочуються.

Телофаза

На заключній стадії телофази поділ практично завершено. Оболонка ядра, яка раніше була зруйнована, щоб дозволити мікротрубочкам отримати доступ і рекрутувати хромосоми до екватора клітини, що ділиться, перетворюється на дві нові ядерні оболонки навколо розділених сестринських хроматид. Телофазу ще називають зворотною профазою, тому що під час профази відбувається спіралізація і вкорочення хромосом, а під час телофази – деспіралізація

Полярні волокна продовжують подовжуватися, і ядра починають формуватися на протилежних полюсах, створюючи ядерні оболонки з решти частин ядерної оболонки батьківської клітини, плюс частини ендомембранної системи. Мітотичний веретен розпадається на свої будівельні блоки, і утворюються два нових ядра — по одному на кожен набір хромосом. Під час цього процесу знову з’являються ядерні мембрани і ядерця, і хроматинові волокна хромосом розкриваються, повертаючись до своєї колишньої ниткоподібної формі.

Після телофази мітоз практично завершено – подвоєння відбулося. Проте, поділ не завершено, поки не відбудеться цитокінез.

Цитокінез

Цитокінез – це поділ цитоплазми, що починається до закінчення анафази і закінчується незабаром після телофазной стадії мітозу.

Під час цитокінезу кільце білків, званих актином і міозином (ті ж білки, що і в м’язах), стискає витягнуту клітину у дві абсолютно нові. Група ниток з білка під назвою актин відповідальна за защемлення, створюючи складку, так звану борозну розщеплення.

Процес відрізняється в рослинах, тому що вони мають клітинну стінку і занадто жорсткі, щоб ділитися таким чином. У рослинних клітинах структура, звана клітинної платівкою, формується в їх середині, розділяючи її на дві дочірні з новою стінкою між ними.

У цей момент цитоплазма порівну поділена між двома новими клітинами, кожна з яких генетично ідентична, містить власне ядро і повну копію ДНК організму. Тепер вони починають свій власний шлях і можуть самі повторювати процес мітозу в залежності від того, ким вони стають.

Біологічне значення
Мітоз є одним із способів реплікації в біології. У одноклітинних організмів мітоз є єдиною життєздатною формою розмноження. У складних організмів роль мітозу полягає у відновленні пошкоджених тканин і допомоги організму здійснювати зростання. Основними цілями мітозу є:

• Безстатеве розмноження.
• Безстатеве розмноження. В одноклітинному організмі (амебі) мітоз — це спосіб розмноження.
• Зростання. У міру старіння рослин і тварин, більшість з них збільшується в розмірах. Мітоз створює клітини, необхідні для збільшення маси тіла, а також більше їх число, щоб впоратися з ростом, наприклад, нові клітини крові. Особливістю є те, що не всі клітини людського організму піддаються мітозу або іншим формам розмноження, наприклад, нервові і м’язові.
• Регенерація. Деякі тварини можуть регенерувати частини тіла. Коли організм отримує травму, виникає процес поділу, щоб замінити пошкоджені клітини. Цей ремонт особливо важливий для шкіри і кровоносних судин, які захищають і насичують киснем м’язи і органи в організмі. Мітоз також допомагає замінити кров, втрачену через рану. У деяких організмах, таких як ящірки, мітоз може замінити цілі втрачені кінцівки, такі як хвости або ноги.
• Помилка. Оскільки мітоз так важливий для відновлення і зростання, при появі помилок виникають серйозні проблеми. Однією з основних різновидів ускладнень є рак. Мутації в ДНК можуть відбуватися під час процесу мітозу, і якщо вони не спіймані, можуть виникнути ракові клітини. Помилки також можуть виникати під час розвитку плоду, що призводить до хромосомних розладів, таких як синдром Дауна і синдром Тернера.

Еукаріоти і прокаріоти

Мітоз зустрічається тільки в еукаріотах. Прокаріоти, в яких відсутнє ядро, діляться за допомогою іншого процесу, званого бінарним поділом. Мітоз варіюється між організмами. Наприклад, в організмі тварин відбувається відкритий мітоз, де ядерна оболонка руйнується до того, як хромосоми відокремлюються, тоді як гриби піддаються закритому мітозу, де хромосоми діляться всередині непошкодженого ядра.

Велика кількість клітин тварин зазнає зміни форми, відома як округлення мітотичних клітин, щоб прийняти майже сферичну морфологію на початку мітозу. Більшість клітин людини отримуються шляхом ділення мітотичних клітин. Важливі винятки включають гамети-сперматозоїди і яйцеклітини, які виходять в процесі мейозу.

Етапи мітозу та поділу клітини

Мітоз – це фаза клітинного циклу, коли хромосоми в ядрі рівномірно розподіляються між двома клітинами. Після завершення процесу поділу клітин утворюються дві дочірні клітини з ідентичним генетичним матеріалом.

Інтерфаза

Перш ніж клітина , що ділиться, вступає в мітоз, вона проходить період росту, який називається інтерфазою. Близько 90 відсотків часу клітини в нормальному клітинному циклі може бути проведено в інтерфазі.

• Фаза G1: Період до синтезу ДНК . У цій фазі клітина збільшує масу, готуючись до поділу. Фаза G1 є першою фазою розриву.
• S фаза: Період, протягом якого ДНК синтезується . У більшості клітин існує вузьке вікно часу, протягом якого синтезується ДНК. S означає синтез.
• Фаза G2: період після синтезу ДНК, але до початку профази. Клітина синтезує білки і продовжує збільшуватися в розмірах. Фаза G2 є другою фазою розриву.
• В останній частині інтерфази в клітині все ще присутні ядерця.
• Ядро обмежене ядерною оболонкою, а хромосоми клітини подвоєні, але мають форму хроматину .

Профаза

У профазі хроматин конденсується в окремі хромосоми . Ядерна оболонка руйнується, і на протилежних полюсах клітини утворюються веретена . Профаза (проти інтерфази) є першим справжнім кроком мітотичного процесу. Під час профази відбувається ряд важливих змін:

• Волокна хроматину згортаються в хромосоми, причому кожна хромосома має дві хроматиди , з’єднані центромерою .
• Мітотичне веретено , що складається з мікротрубочок і білків , формується в цитоплазмі .
• Дві пари центріолей (утворені в результаті реплікації однієї пари в інтерфазі) віддаляються одна від одної до протилежних кінців клітини через подовження мікротрубочок, які утворюються між ними.
• Полярні волокна, які є мікротрубочками, що утворюють волокна веретена, сягають від кожного полюса клітини до екватора клітини.
• Кінетохори , які є спеціалізованими ділянками в центромерах хромосом, прикріплюються до типу мікротрубочок, які називаються кінетохорними волокнами.
• Кінетохорні волокна «взаємодіють» з полярними волокнами веретена, що з’єднують кінетохори з полярними волокнами.
• Хромосоми починають мігрувати до центру клітини.

Метафаза

У метафазі веретено досягає зрілості, і хромосоми вирівнюються на пластинці метафази (площині, яка однаково віддалена від двох полюсів веретена). Під час цієї фази відбувається ряд змін:

• Ядерна мембрана повністю зникає.
• Полярні волокна (мікротрубочки, з яких складаються волокна веретена) продовжують простягатися від полюсів до центру клітини.
• Хромосоми рухаються безладно, доки вони не прикріпляться (у своїх кінетохорах) до полярних волокон з обох боків своїх центромер.
• Хромосоми розташовані на метафазній пластинці під прямим кутом до полюсів веретена.
• Хромосоми утримуються на метафазній пластинці рівними силами полярних волокон, що тиснуть на центромери хромосом.

Анафаза

В анафазі спарені хромосоми ( сестринські хроматиди ) відокремлюються і починають рухатися до протилежних кінців (полюсів) клітини. Волокна веретена, не пов’язані з хроматидами, подовжують і подовжують клітину. Наприкінці анафази кожен полюс містить повний набір хромосом. Під час анафази відбуваються такі ключові зміни:

• Парні центромери в кожній окремій хромосомі починають розсуватися
• Як тільки спарені сестринські хроматиди відокремлюються одна від одної, кожна вважається «повною» хромосомою. Їх називають дочірніми хромосомами
• Через веретеноподібний апарат дочірні хромосоми рухаються до полюсів на протилежних кінцях клітини.​
• Дочірні хромосоми спочатку мігрують до центромери, а волокна кінетохора стають коротшими, оскільки хромосоми знаходяться поблизу полюса.​
• Готуючись до телофази, два клітинні полюси також розходяться один від одного під час анафази. Наприкінці анафази кожен полюс містить повний набір хромосом.

Телофаза

У телофазі хромосоми відокремлюються в окремі нові ядра в дочірніх клітинах, що виникають. Відбуваються такі зміни:

• Полярні волокна продовжують подовжуватися.
• Ядра починають формуватися на протилежних полюсах.
• Ядерні оболонки цих ядер утворюються із залишків ядерної оболонки батьківської клітини та частин ендомембранної системи.
• Також знову з’являються ядерця.
• Хроматинові волокна хромосом розкручуються.
• Після цих змін телофаза/мітоз в основному завершується. Генетичний вміст однієї клітини розділено порівну на дві.

Цитокінез

Цитокінез — це поділ цитоплазми клітини. Він починається перед закінченням мітозу в анафазі і завершується незабаром після телофази/мітозу. Наприкінці цитокінезу утворюються дві генетично ідентичні дочірні клітини. Це диплоїдні клітини, кожна з яких містить повний набір хромосом.

Клітини , що утворюються в результаті мітозу, відрізняються від клітин, що утворюються в результаті мейозу . У мейозі утворюються чотири дочірні клітини. Ці клітини є гаплоїдними клітинами , що містять половину кількості хромосом, ніж вихідна клітина. Статеві клітини піддаються мейозу. Коли статеві клітини об’єднуються під час запліднення , ці гаплоїдні клітини стають диплоїдними