Митоз. Гайд для желающих удвоить количество клеток⁠⁠

Дисклеймер: описанные в посте процессы упрощены с расчётом на школьную программу, приправлены метафорами и могут не в полной мере соответствовать суровой реальности.

Что такое митоз? Если коротко, то это такой продвинутый, многоступенчатый и очень скоординированный процесс, в результате которого из одной клетки получаются две её копии. Митоз ещё называют непрямым делением, и слово "непрямой" не сулит ничего хорошего школьникам и студентам, которые пытаются разобраться в этом запутанном процессе. Может ли клетка сжалиться над теми, кто изучает биологию, и просто разделиться пополам без всех этих изысков?

На самом деле, может. Этот процесс называется простым бинарным делением ("бинарный" означает "двоичный", как состоящий из нулей и единиц компьютерный код). Именно так делятся братья наши меньшие прокариоты, то есть одноклеточные организмы, не имеющие ядра, например, бактерии.

Наследственную информацию (что у бактерий, что у нас с вами) несут в себе хромосомы. Каждая хромосома состоит из пары сестринских хроматид (представьте их как девчонок-двойняшек, держащихся за руки*). Эта парочка неразлучна, но когда клетка становится достаточно большой и умудрённой опытом, чтобы произвести потомство, сёстрам-хроматидам тоже приходится повзрослеть и разъехаться. Каждая получает свой собственный дом (дочернюю клетку) и дальше живёт уже с новой соседкой.

* к слову, то место, в котором хроматиды держатся за руки, будет называться центромерой.

Для бактерий одна хромосома — это максимум, а значит, им приходится иметь дело всего лишь с одной парой близняшек. Достаточно поставить между ними перегородку (клеточную стенку), чтобы они покорно разошлись по домам.

У нас, человеков, как правило, 46 хромосом — и мы далеко не рекордсмены по их количеству. Случалось ли вам пытаться организовать девяносто двух непоседливых двойняшек так, чтобы они разделились на две абсолютно идентичные группы? На такой подвиг способны, пожалуй, разве что учителя младших классов — а эукариотическим клеткам (то есть клеткам-обладательницам ядра) приходится прибегать к хитрости под названием митоз.

Митоз разделяют на пять фаз, которые лично мне так и не удалось зазубрить в правильном порядке, поэтому вместо зубрёжки я просто запомнила ещё одно очень полезное для биолога слово: ПРИМАТ.

Пр — профаза

И — интерфаза

М — метафаза

А — анафаза

Т — телофаза

Меняем друг с другом местами два первых этапа — и вуаля! Весь митоз перед нами как на ладони. Осталось только узнать, чем именно занимается клетка во время каждой из этих фаз.

0. Интерфаза.

По сути своей, интерфаза — это ещё не фаза митоза, а скорее фаза между двумя митозами (приставка "интер-" значит "между", например, "интернет" = "межсетевой"). В интерфазе клетка питается, растёт, синтезирует нужные ей молекулы, а главное — реплицирует (то есть удваивает) генетический материал. Для жизни клетке вполне достаточно одной копии ДНК — но для того, чтобы не обделить ни одну из дочек, приходится обзавестись двумя. Если бы в интерфазе не происходило удвоения ДНК, делить наследство между дочерними клетками было бы настоящей морокой.

1. Профаза.

Приставка "про-" значит то же самое, что и "пред-". Профаза — это фаза-предшественник, подготовительный этап. Во время профазы происходит конденсация хромосом, разрушение оболочки ядра и образование веретена деления.

Почему и зачем происходит конденсация хромосом? Дело в том, что в активном состоянии хромосома — не знакомый нам по рисункам крестик и даже не буква Х, а скорее размотанный клубок, который долго гонял по квартире котёнок. Пока хромосома размотана, любой из её участков доступен для того, чтобы считать с него генетическую инструкцию. Если мы начнём сматывать клубок пряжи, то бóльшая часть нити неизбежно окажется где-то в его глубинах. И каждый раз, когда нам понадобится прочитать инструкцию, как назло, не лежащую на поверхности, нам придётся разматывать весь клубок.

Зато клубок гораздо удобнее взять в охапку. И два аккуратных, плотно смотанных клубка куда проще разделить между двумя дочками, чем перепутанные и переплетённые нити, к которым приложил лапу ваш игривый котёнок. Кроме того, клетке сейчас не до выполнения посторонних инструкций: она всецело сосредоточена на делении, почти как женщина во время родов. Поэтому в профазе митоза хромосомы конденсируются, а их функциональная активность (способность давать инструкции) затухает.

Вместе с тем разрушается оболочка ядра (защитная скорлупа, отделяющая хромосомы от клеточной цитоплазмы) и начинает формироваться веретено деления — главный регулировщик митоза, который будет направлять близнецов в их новые дома (дочерние клетки).

2. Метафаза.

На этом этапе продолжаются многие процессы, которые начались в предыдущей фазе: хромосомы конденсируются ещё сильнее и совсем утрачивают функциональную активность. По-прежнему держась за руки, хроматиды выстраиваются в колонну по двое на экваторе клетки, формируя так называемую экваториальную (или метафазную) пластинку. Наконец, к центромерам центромерам прикрепляются нити веретена деления. Теперь одна из сестёр-хроматид привязана, условно, к южному полюсу клетки, а вторая — к северному.

3. Анафaза.

Драма! Разлука! Рука сестры выскальзывает из слабеющей хватки сестры. Хроматиды расходятся к полюсам клетки, направляемые нитями веретена деления, словно эдакой канатной дорогой.

4. Телофаза.

Когда "южные" и "северные" близнецы окончательно занимают свои места, веретено деления исчезает за ненадобностью. Происходят процессы, обратные тем, через которые клетка-мама уже проходила в профазе: вокруг каждого из двух наборов хроматид восстанавливается ядерная оболочка, начинают деконденсироваться (разматываться) хромосомы. Наконец, делится цитоплазма (происходит цитокинез). Образуются две дочерние клетки, идентичные материнской. Настала их очередь расти и, возможно, копить силы для нового митоза. Добро пожаловать обратно в интерфазу!

P.S. для школьников и студентов:

Вам также понадобится знать, как обозначается количество хромосом и хроматид на разных этапах митоза.

Количество хромосом в диплоидных (не половых) клетках записывается как 2n ("ди" значит "два", как в слове "диалог", поэтому двойка) и остаётся неизменным до расхождения хроматид в анафазе. Поскольку мы были разлучниками близнецов и разорвали хромосомы пополам, их стало 4n. Но каждому полюсу достаётся половина набора, следовательно, к концу телофазы в каждой дочерней клетке столько же хромосом, сколько их было изначально в материнской: 2n.

Количество хроматид изначально совпадает с количеством хромосом (2с), после репликации ДНК умножается на два в конце интерфазы (4c) и снова делится на два к концу телофазы (2c), когда дочерние клетки окончательно обособляются.

Итого (вспоминаем примата):

И (интерфаза): 2n2c —> 2n4c

Пр (профаза): 2n4c

М (метафаза): 2n4c

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

Т (телофаза): по 2n2c в двух клетках

P.P.S. если этот пост окажется интересным/полезным, следующим напишу про старшего брата митоза, мейоз :)