Клеточный цикл. Клеточная биология

Разбор темы

История и клеточная теория

Р. Гук (1665) увидел ячейки пробки и назвал их клетками; А. ван Левенгук (XVII век) первым наблюдал бактерии и одноклеточных; Р. Броун (1831) описал ядро.

Клеточная теория (Шлейден и Шванн, 1838–1839; дополнение Вирхова, 1855): клетка — основная единица строения и развития всех организмов; клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу; новые клетки образуются только делением исходных.

Прокариоты и эукариоты

Прокариоты (бактерии, цианобактерии, археи): нет ядра — кольцевая ДНК (нуклеоид) лежит в цитоплазме; нет мембранных органоидов; рибосомы мелкие (70S); клеточная стенка из муреина; бывают плазмиды и жгутики.

Эукариоты (протисты, грибы, растения, животные): ядро с ядерной оболочкой, линейные хромосомы, мембранные органоиды, рибосомы 80S.

Растительная клетка отличается от животной: клеточная стенка из целлюлозы, пластиды, крупная центральная вакуоль с клеточным соком, запасает крахмал, обычно нет центриолей. Животная: нет стенки, есть клеточный центр с центриолями, запасает гликоген.

Органоиды

Ядро: хранит наследственную информацию (хромосомы), управляет клеткой; ядрышко образует субъединицы рибосом.

Митохондрии (двумембранные, внутренняя мембрана образует кристы): клеточное дыхание и синтез АТФ — «энергетические станции». Имеют свою кольцевую ДНК и рибосомы.

Пластиды (двумембранные, только у растений): хлоропласты — фотосинтез; хромопласты — окраска цветков и плодов; лейкопласты — запас крахмала. Тоже имеют свою ДНК.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС): шероховатая (с рибосомами) — синтез белков; гладкая — синтез липидов и углеводов, обезвреживание ядов.

Комплекс Гольджи: накопление, упаковка и вывод веществ из клетки, образование лизосом.

Лизосомы: пузырьки с ферментами, переваривают поглощённые частицы и отжившие органоиды.

Рибосомы (немембранные, из двух субъединиц рРНК и белка): синтез белка. Клеточный центр (центриоли) — образует веретено деления. Вакуоли — запас веществ и воды, тургор.

Мембрана и транспорт веществ

Плазматическая мембрана — двойной слой фосфолипидов с встроенными белками (жидкостно-мозаичная модель). Свойство — избирательная проницаемость.

Пассивный транспорт (без затрат энергии, по градиенту концентрации): простая диффузия (O₂, CO₂), облегчённая диффузия через белки-каналы (глюкоза), осмос (вода).

Активный транспорт (с затратой АТФ, против градиента): натрий-калиевый насос.

Эндоцитоз — поглощение крупных частиц (фагоцитоз) и жидкости (пиноцитоз); экзоцитоз — выведение веществ.

Осмос на практике: в гипертоническом растворе растительная клетка теряет воду (плазмолиз), в гипотоническом — набухает; эритроцит в чистой воде лопается (гемолиз). Физиологический раствор — 0,9 % NaCl.

Клеточный цикл и интерфаза

Клеточный цикл — жизнь клетки от деления до деления: интерфаза (≈ 90 % времени) и митоз.

G₁ — рост клетки, синтез белков и РНК, набор 2n2c. S — удвоение (репликация) ДНК: каждая хромосома теперь из двух хроматид, 2n4c. G₂ — подготовка к делению, синтез АТФ и белков веретена.

Нарушение контроля клеточного цикла приводит к неконтролируемому делению — опухолям.

Митоз

Профаза: хромосомы спирализуются и становятся видны, ядерная оболочка и ядрышко исчезают, образуется веретено деления. (2n4c)

Метафаза: хромосомы выстраиваются по экватору клетки (метафазная пластинка) — в это время их удобнее всего считать. (2n4c)

Анафаза: центромеры делятся, сестринские хроматиды расходятся к полюсам и становятся самостоятельными хромосомами. (4n4c в клетке)

Телофаза: образуются два ядра, хромосомы деспирализуются, делится цитоплазма (цитокинез). Каждая дочерняя клетка — 2n2c.

Значение: рост организма, регенерация, бесполое размножение; генетическая идентичность дочерних клеток.

Мейоз

Два деления подряд, удвоение ДНК — только перед первым.

Мейоз I (редукционный): в профазе I гомологичные хромосомы сближаются (конъюгация) и обмениваются участками (кроссинговер); в метафазе I по экватору встают пары гомологов; в анафазе I к полюсам расходятся целые гомологичные хромосомы. Итог: 2 клетки n2c.

Мейоз II (эквационный, как митоз): расходятся сестринские хроматиды. Итог: 4 клетки nc.

Значение: образование гамет и спор, постоянство числа хромосом в поколениях, комбинативная изменчивость (кроссинговер и независимое расхождение хромосом).

Набор хромосом

Соматические клетки — диплоидные (2n), гаметы — гаплоидные (n). У человека 2n = 46 (22 пары аутосом + половые хромосомы XX или XY), в гамете n = 23.

Примеры 2n: дрозофила 8, горох 14, кукуруза 20, собака 78, мягкая пшеница 42.

Кариотип — набор хромосом клетки, характерный для вида (число, размер, форма).

Ткани растений и животных 8 класс

Растения: образовательная (меристема), покровная (кожица, пробка), проводящая (ксилема, флоэма), механическая, основная (фотосинтезирующая, запасающая).

Животные: эпителиальная (покровы, железы), соединительная (кость, хрящ, кровь, жировая), мышечная, нервная.

Увеличение и размеры клеток 9 класс

Увеличение $=\dfrac{\text{размер изображения}}{\text{реальный размер}}$. Перевод единиц: 1 мм = 1000 мкм, 1 мкм = 1000 нм. Типичные размеры: бактерия 1–5 мкм, эритроцит ~7 мкм, животная клетка 10–30 мкм, вирус 20–300 нм.

Клетка растения и животного 7–8 класс

У растительной клетки есть клеточная стенка из целлюлозы, пластиды, крупная центральная вакуоль; запасной углевод — крахмал. У животной — нет клеточной стенки, есть центриоли; запасной углевод — гликоген. У грибов клеточная стенка из хитина.

Органоиды под электронным микроскопом 10 класс

Световой микроскоп (увеличение до ≈ ×1500, разрешение ≈ 0,2 мкм) показывает ядро, клеточную стенку, вакуоль, хлоропласты. Электронный (увеличение до сотен тысяч раз, разрешение около 1 нм) показывает кристы митохондрий, граны хлоропластов, ЭПС, рибосомы, комплекс Гольджи. Но в электронном микроскопе изучают только мёртвые, особым образом обработанные клетки.

По мембранам органоиды делят на три группы. Двумембранные: ядро, митохондрии, пластиды; у митохондрий и пластид есть своя кольцевая ДНК и рибосомы 70S — довод в пользу их происхождения от бактерий-симбионтов (теория симбиогенеза). Одномембранные: ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли. Немембранные: рибосомы, клеточный центр, цитоскелет (микротрубочки, микрофиламенты), реснички и жгутики.

Органоиды работают как конвейер: белок синтезируется на рибосомах шероховатой ЭПС → по её каналам попадает в комплекс Гольджи → упаковывается в пузырьки → выводится экзоцитозом (ферменты поджелудочной железы, антитела). Поэтому в клетках-«экспортёрах» много шероховатой ЭПС и крупный комплекс Гольджи, а в мышечных клетках и сперматозоидах — много митохондрий.

Мембрана: строение и проницаемость 10 класс

Молекула фосфолипида имеет гидрофильную «головку» и два гидрофобных «хвоста». В воде фосфолипиды сами собираются в двойной слой: головки наружу, хвосты внутрь. Молекулы движутся в слое, поэтому мембрана «жидкая», а белки встроены в неё, как мозаика (модель Сингера–Николсона, 1972). Холестерин в мембранах животных клеток регулирует их текучесть.

Белки мембраны: каналы и переносчики (транспорт), рецепторы (узнают гормоны), ферменты. Снаружи у животных клеток есть гликокаликс — цепочки углеводов, связанные с белками и липидами; он отвечает за узнавание клеток и межклеточные контакты. Через липидный слой легко проходят мелкие и неполярные молекулы (O₂, CO₂, жирорастворимые вещества), а ионы и глюкоза — только с помощью белков.

Опыт со свёклой: кусочки корнеплода промывают и выдерживают в воде при разной температуре. Красный пигмент находится в вакуолях; при нагреве выше ≈ 50–60 °C белки мембран денатурируют, липидный слой нарушается — пигмент выходит, и вода окрашивается сильнее. Так же мембрану разрушают спирт и моющие средства. Интенсивность окраски измеряют колориметром.

Сравнение митоза и мейоза 9 класс

Митоз: одно деление; из одной клетки 2n — две клетки 2n, генетически одинаковые. Идёт в соматических клетках; обеспечивает рост, регенерацию, бесполое размножение. Конъюгации и кроссинговера нет; в метафазе по экватору стоят отдельные хромосомы.

Мейоз: два деления подряд; из одной клетки 2n — четыре клетки n, генетически разные. Идёт при образовании гамет (у животных) и спор (у растений). В профазе I гомологи конъюгируют и образуют биваленты (у человека 23), идёт кроссинговер; в метафазе I по экватору стоят пары гомологов; между мейозом I и II нет S-периода.

Как отличить на рисунке: к полюсам расходятся двухроматидные хромосомы — анафаза I мейоза; однохроматидные, и у каждого полюса набор 2n — анафаза митоза; однохроматидные, и у каждого полюса набор n — анафаза II мейоза. Амитоз — прямое деление ядра перетяжкой без веретена (клетки печени, хряща, опухолей); хромосомы при нём распределяются неравномерно.

Митоз в корешке лука; митотический индекс 9 класс

Кончик корня лука — удобный объект: в его меристеме клетки делятся постоянно. Корешок фиксируют, размягчают кислотой, окрашивают ацетокармином или ацетоорсеином (хромосомы становятся тёмными) и раздавливают под покровным стеклом, чтобы клетки легли в один слой.

Под микроскопом считают клетки в каждой фазе. Митотический индекс (МИ) = число делящихся клеток / общее число клеток × 100 %. Он показывает, насколько активно делится ткань: в меристеме он высокий, в зоне растяжения — почти ноль; в опухоли выше, чем в нормальной ткани.

Чем дольше длится фаза, тем больше клеток в ней видно. Поэтому доля клеток в фазе ≈ доля времени фазы в клеточном цикле: если цикл длится 24 ч и в метафазе 5 % клеток, метафаза длится ≈ 1,2 ч. Больше всего клеток всегда в интерфазе — она самая длинная.

Строение хромосомы и кариотип 10 класс

Метафазная хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединённых в центромере (первичной перетяжке); к центромере крепятся нити веретена. На концах хромосом — теломеры, защищающие ДНК от укорочения и слипания. По положению центромеры хромосомы бывают метацентрические (плечи равны), субметацентрические (не равны) и акроцентрические (одно плечо очень короткое).

ДНК упакована многоуровнево: двойная спираль наматывается на белки-гистоны (нуклеосомы — «бусы на нитке») → хроматиновая нить → петли → спирализованная хромосома. Так ДНК клетки общей длиной около 2 м помещается в ядре диаметром ≈ 5–10 мкм. Эухроматин — рыхлый, активный; гетерохроматин — плотный, неактивный.

Кариограмма — упорядоченное изображение кариотипа: хромосомы фотографируют в метафазе и раскладывают парами по размеру и форме. У человека 22 пары аутосом пронумерованы от 1 до 22 по убыванию размера, 23-я пара — половые хромосомы. По кариограмме выявляют хромосомные болезни (лишняя 21-я хромосома — синдром Дауна).