Клітинний цикл і мітоз

Клітинний (життєвий) цикл — це період існування клітини від моменту її утворення поділом материнської клітини до власного поділу або загибелі. У клітинах, здатних ділитися, цей цикл називають мітотичним циклом. Він складається з інтерфази (підготовки до поділу) та власне мітозу, за яким іде поділ цитоплазми — цитокінез.

Інтерфаза: три періоди

Інтерфаза — найдовша частина клітинного циклу, вона займає близько 90 % його тривалости. Упродовж інтерфази клітина росте, синтезує речовини й готується до поділу. Інтерфазу поділяють на три періоди:

Зверни увагу: кількість хромосом у G₁ і G₂ однакова (2n), а от кількість молекул ДНК після S-періоду подвоюється (було 2c, стало 4c). Докладніше про позначення n і c — в окремому уроці «Задачі на набір хромосом і кількість ДНК у мітозі та мейозі».

G₀ — стан спокою

Не всі клітини постійно діляться. Багато з них переходять у стан G₀ — період спокою поза клітинним циклом. Розрізняють дві категорії таких клітин:

• Спеціалізовані клітини, що ніколи не діляться: більшість нейронів, клітини серцевого м’яза (поперечносмугастої м’язової тканини).

• Клітини, які чекають сигналу до поділу: клітини печінки (гепатоцити) можуть вийти з G₀ і знову ввійти в цикл за потреби.

Інтерфаза завершується, коли клітина отримує сигнал до поділу й переходить до мітозу.

Мітоз — це поділ ядра еукаріотичної клітини, за якого утворюються два дочірні ядра з таким самим набором хромосом, як у материнського. Мітоз поділяють на чотири фази: профазу, метафазу, анафазу й телофазу. Запам’ятай послідовність: ПРОФАЗА → МЕТАФАЗА → АНАФАЗА → ТЕЛОФАЗА.

Профаза

У профазі хромосоми спіралізуються (ущільнюються) і стають видимими в світловий мікроскоп. Кожна хромосома складається з двох сестринських хроматид, з’єднаних центромерою. Ядерце зникає, а наприкінці фази розпадається ядерна оболонка. У тваринних клітинах центріолі розходяться до полюсів, і з мікротрубочок починає формуватися веретено поділу.

Метафаза

Хромосоми досягають максимальної спіралізації й розташовуються в площині екватора клітини, утворюючи метафазну пластинку. Нитки веретена поділу прикріплюються до центромер хромосом. Саме в метафазі хромосоми найкраще видно, тому каріотип (набір хромосом) вивчають на метафазних пластинках.

Анафаза

Це найкоротша фаза мітозу. Центромери розділяються, і сестринські хроматиди стають самостійними дочірніми хромосомами. Вони розходяться до протилежних полюсів клітини — до кожного полюса потрапляє однаковий набір хромосом.

Телофаза

Біля полюсів хромосоми деспіралізуються (розпушуються), навколо них формуються ядерні оболонки, з’являються ядерця. Веретено поділу руйнується. Утворюються два ядра — клітина готова до поділу цитоплазми.

Цитокінез — поділ цитоплазми

Після телофази відбувається цитокінез. Спосіб поділу цитоплазми залежить від типу клітини:

• У тваринній клітині — перетяжкою: борозну поділу стягує скоротливе кільце з актинових мікрофіламентів, яке поступово заглиблюється, поки клітина не поділиться на дві.

• У рослинній клітині — клітинною пластинкою: посередині клітини з пухирців комплексу Гольджі утворюється пластинка, яка росте від центру до стінок і зрештою стає новою клітинною стінкою.

Підсумок: з однієї материнської клітини (2n) утворюються дві дочірні з таким самим набором хромосом (2n → 2n). Якщо материнська клітина була гаплоїдною (n), дочірні теж будуть гаплоїдними (n → n).

Програма НМТ вимагає візуально розпізнавати фази мітозу, тож на тесті може трапитися мікрофотографія або схематичний рисунок клітини в одній із фаз мітозу із запитанням про цю фазу. Класичний препарат для спостереження мітозу — кінчик кореня цибулі (Allium cepa). У твірній тканині (меристемі) кінчика кореня клітини активно діляться, тому в полі зору мікроскопа можна побачити клітини в різних фазах. Більшість клітин перебуває в інтерфазі, бо вона найдовша.

Візуальні ознаки кожної фази

Відмінності між рослинними й тваринними клітинами

Клітини рослин і тварин проходять ті самі фази мітозу, але є дві важливі відмінності:

• У клітинах вищих рослин немає центріолей — веретено поділу формується без них, за участю інших центрів організації мікротрубочок.

• Цитокінез у рослин відбувається клітинною пластинкою, а не перетяжкою, як у тварин.

Як не сплутати анафазу мітозу з анафазою I мейозу

В анафазі мітозу до полюсів розходяться сестринські хроматиди — одинарні хромосоми (колишні хроматиди). В анафазі I мейозу до полюсів розходяться цілі гомологічні хромосоми, кожна з яких складається з двох хроматид. Це принципова відмінність, яку варто запам’ятати (докладніше — в уроці «Мейоз»).

Мітоз має фундаментальне значення для життя еукаріотів. Завдяки точному подвоєнню й рівномірному розподілу хромосом дочірні клітини отримують генетично ідентичний матеріал.

Сталість каріотипу

Мітоз забезпечує генетичну ідентичність дочірніх клітин і сталість каріотипу (набору хромосом) у поколіннях клітин. У типових ядерних соматичних клітинах зберігається той самий набір хромосом, що й у зиготі. Винятки — спеціалізовані без’ядерні клітини (еритроцити ссавців) і поліплоїдні клітини (наприклад, клітини печінки).

Ріст і розвиток

З однієї заплідненої яйцеклітини — зиготи — шляхом багаторазових мітозів утворюються трильйони клітин дорослого організму. Без мітозу ріст і розвиток багатоклітинних організмів були б неможливі.

Фізіологічна регенерація

Це постійна заміна клітин, що відмирають. Приклади:

• Клітини епідермісу шкіри постійно злущуються й замінюються новими завдяки мітозу в базальному шарі.

• Епітелій кишечнику оновлюється кожні кілька днів.

• Клітини крові (еритроцити, лейкоцити) утворюються в червоному кістковому мозку шляхом мітозу.

Репаративна регенерація

Це відновлення втрачених або пошкоджених частин тіла. Здатність до репаративної регенерації різна в різних організмів:

• Гідра й планарія можуть відновити все тіло з невеликого фрагмента.

• Тритон здатний відростити втрачену кінцівку, ящірка — хвіст.

• У ссавців добре регенерують печінка, шкіра, кістки; погано — нервова тканина (хоча деякі нейрони можуть відновлювати відростки).

Регенерація в рослин

У рослин здатність до регенерації значно вища, ніж у більшості тварин. Твірні тканини (меристеми) працюють протягом усього життя, а спеціалізовані клітини можуть знову почати ділитися. З живця, листка бегонії чи навіть окремих клітин у культурі тканин виростає ціла рослина.

Нестатеве розмноження

Мітоз лежить в основі нестатевого розмноження еукаріотів: поділ амеби, брунькування гідри, вегетативне розмноження рослин (живцювання, поділ кореневищ, бульб). Нащадки генетично ідентичні батьківській особині (докладніше — в уроці «Нестатеве і статеве розмноження організмів»).

Неконтрольовані мітози — причина пухлин. Коли клітина втрачає здатність регулювати поділ, вона починає ділитися безконтрольно, що призводить до утворення пухлини.

Приклад 1. Визначення фази за мікрофотографією

Завдання: На мікрофотографії кінчика кореня цибулі хромосоми розташовані в одній площині посередині клітини. Яка це фаза мітозу?

Розв’язання: Хромосоми вишикувалися в площині екватора — це характерна ознака метафази. У профазі хромосоми виглядають як клубок ниток, в анафазі вони розходяться до полюсів, а в телофазі формуються два ядра.

Відповідь: метафаза.

Чому інші варіанти неправильні: профаза — хромосоми ще не вишикувалися на екваторі; анафаза — хромосоми рухаються до полюсів, а не стоять на екваторі; телофаза — уже видно два ядра.

Приклад 2. Логічні пари: фаза мітозу — подія

Завдання: Установи відповідність між фазою мітозу (1–4) і подією, що в ній відбувається (А–Д). Одна буква зайва.

Розв’язання: 1 → А (профаза: спіралізація хромосом, зникнення ядерця, розпад ядерної оболонки); 2 → Б (метафаза: хромосоми на екваторі); 3 → В (анафаза: сестринські хроматиди розходяться); 4 → Г (телофаза: формування ядерних оболонок). Реплікація ДНК (Д) відбувається в S-періоді інтерфази, тому вона зайва.

Приклад 3. Два твердження

Завдання: Оціни правильність двох тверджень. I. В анафазі мітозу до полюсів розходяться гомологічні хромосоми. II. У клітинах вищих рослин цитокінез відбувається утворенням клітинної пластинки.

Розв’язання: Твердження I неправильне — в анафазі мітозу розходяться сестринські хроматиди (дочірні хромосоми), а не гомологічні хромосоми. Гомологічні хромосоми розходяться в анафазі I мейозу. Твердження II правильне — у вищих рослин цитокінез відбувається клітинною пластинкою, а не перетяжкою.

Відповідь: правильне лише II.

Приклад 4. Біологічне значення мітозу

Завдання: Чому нові клітини епідермісу, що замінюють злущені, мають такий самий набір хромосом, як клітини-попередники?

Розв’язання: Під час мітозу кожна дочірня клітина отримує точні копії всіх хромосом материнської завдяки реплікації ДНК в S-періоді й рівномірному розходженню сестринських хроматид в анафазі. Кросинговер відбувається в мейозі, а не в мітозі. Зменшення числа хромосом удвічі характерне для мейозу. Випадкове розходження гомологічних хромосом — також ознака мейозу I.

Відповідь: під час мітозу кожна дочірня клітина отримує точні копії всіх хромосом материнської.

• Плутають анафазу мітозу з анафазою I мейозу. В анафазі мітозу розходяться сестринські хроматиди (одинарні хромосоми), а в анафазі I мейозу — гомологічні хромосоми, кожна з яких складається з двох хроматид.

• Розміщують реплікацію ДНК у профазі. Насправді реплікація відбувається в S-періоді інтерфази, задовго до початку мітозу.

• Вважають інтерфазу періодом спокою. Це помилка: в інтерфазі клітина активно росте, синтезує білки, РНК, АТФ, подвоює ДНК і центріолі.

• Плутають на рисунку метафазу з анафазою. У метафазі хромосоми вишикувані «лінією» на екваторі; в анафазі дві групи хромосом рухаються до протилежних полюсів.

• Приписують центріолі клітинам вищих рослин або вважають, що рослинна клітина ділиться перетяжкою. У вищих рослин немає центріолей, а цитокінез відбувається клітинною пластинкою.

• Вважають, що після мітозу число хромосом у дочірніх клітинах зменшується вдвічі. Насправді мітоз зберігає плоїдність: 2n → 2n, n → n.

Тема «Клітинний цикл, інтерфаза й поділ, мітоз» належить до теми 1.5 програми НМТ з біології. Від тебе вимагають:

• аналізувати етапи клітинного циклу й фази мітозу;

• візуально розпізнавати фази мітозу на мікрофотографіях або схематичних рисунках;

• порівнювати регенерацію рослин і тварин.

У демоваріанті НМТ-2026 тема 1.5 є основною в завданні № 6 — це вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) за рисунком, оцінюється в 0 або 1 бал. Загалом рисунок, схему чи фото мають 15 із 30 завдань демоваріанта.

Формат логічних пар (завдання 25–28): ліворуч 1–4, праворуч А–Д (одна буква зайва). По 1 балу за кожну правильно встановлену пару, до 4 балів. Можливі варіанти: «фаза → подія» або «зображення → фаза».

Стратегія для рисунка

Коли бачиш мікрофотографію або схему клітини в одній із фаз мітозу, визнач:

• положення хромосом (клубок у ядрі, лінія на екваторі, дві групи біля полюсів, два ядра);

• чи є ядерна оболонка (є — профаза або інтерфаза, немає — метафаза або анафаза, знову з’являється — телофаза).

Цього достатньо, щоб назвати фазу.

• Клітинний цикл = інтерфаза (G₁, S, G₂) + мітоз + цитокінез.

• У S-періоді інтерфази відбувається реплікація ДНК: після неї кожна хромосома складається з двох сестринських хроматид.

• Профаза — спіралізація хромосом, зникнення ядерця, розпад ядерної оболонки, формування веретена поділу.

• Метафаза — хромосоми вишиковуються на екваторі (метафазна пластинка).

• Анафаза — сестринські хроматиди розходяться до протилежних полюсів.

• Телофаза — навколо хромосом формуються ядерні оболонки, утворюються два ядра.

• Цитокінез: у тварин — перетяжка, у рослин — клітинна пластинка.

• Мітоз зберігає плоїдність: 2n → 2n або n → n. За відсутності мутацій дочірні клітини мають однакову спадкову інформацію.

• Біологічне значення мітозу: ріст організму, фізіологічна й репаративна регенерація, заміна клітин, нестатеве розмноження.