Клеточный цикл: периоды интерфазы, митоз и регуляция деления

Летом 1982 года английский биохимик Тим Хант вёл практикум в морской лаборатории Вудс-Хол и изучал, какие белки синтезируются в оплодотворённых яйцах морского ежа. Почти все белки накапливались постепенно, но один вёл себя странно: его становилось всё больше, а перед каждым делением он почти полностью исчезал, чтобы затем накопиться снова. Хант назвал его циклином. Через девятнадцать лет за открытие механизма, который управляет делением клеток, он получил Нобелевскую премию вместе с Лиландом Хартвеллом и Полом Нёрсом.

В этой статье — весь элемент 2.6 кодификатора ЕГЭ по биологии в части клеточного цикла: что такое клеточный цикл и чем он отличается от жизненного цикла клетки, периоды интерфазы и происходящие в них процессы, изменение числа хромосом и количества ДНК, митоз как завершение цикла, состояние покоя G₀, внешняя и внутренняя регуляция деления, контрольные точки, циклины и циклин-зависимые киназы, белок p53, апоптоз и опухолевый рост. В конце — что проверяют на экзамене, раздел для олимпиадников и четырнадцать заданий с разбором. Репликация ДНК и строение хромосом подробно разобраны в уроках тренажёра; здесь о них сказано столько, сколько нужно для понимания цикла.

• Что такое клеточный цикл
• Периоды клеточного цикла
• Интерфаза: G₁, S и G₂
• Хромосомы и ДНК по ходу цикла
• Митоз — завершение цикла
• Клетки вне цикла: состояние G₀
• Внешние и внутренние сигналы
• Контрольные точки
• Циклины и циклин-зависимые киназы
• Белок p53 и апоптоз
• Когда регуляция ломается: опухоли
• Сколько раз может делиться клетка
• Что проверяют на ЕГЭ
• Для олимпиад
• Интересные факты
• Задания с разбором
• Литература

Что такое клеточный цикл

Все клетки многоклеточного организма возникают при делении других клеток, а каждая делящаяся клетка раз за разом проходит одну и ту же последовательность событий: растёт, удваивает наследственный материал, распределяет его поровну и делится. Эту повторяющуюся последовательность и называют клеточным циклом.

Интерфазу когда-то называли «стадией покоя», потому что в световой микроскоп в ядре интерфазной клетки не видно никаких перемен: хромосомы деспирализованы и образуют хроматин, хорошо заметны ядрышко и ядерная оболочка. На самом деле именно в интерфазе клетка работает интенсивнее всего: синтезирует белки и РНК, растёт, удваивает ДНК и органоиды, запасает энергию. Митоз лишь распределяет между дочерними клетками то, что подготовлено в интерфазе.

Клеточный цикл следует отличать от жизненного цикла клетки. Жизненный цикл клетки — время от её образования до гибели или деления. У делящейся клетки жизненный цикл совпадает с клеточным и заканчивается делением. Клетка, утратившая способность делиться, проходит жизненный цикл, но не проходит клеточного: зрелый нейрон после дифференцировки не готовится к делению и работает десятилетиями, а его жизненный цикл заканчивается гибелью.

Периоды клеточного цикла

Цикл делят на четыре периода. Латинские обозначения пришли из работы Альмы Хауэрд и Стивена Пелка (1953), которые с помощью радиоактивного фосфора показали, что ДНК в клетках корня бобов синтезируется не всё время, а только в определённый промежуток интерфазы. Этот промежуток назвали S (от synthesis — синтез), а промежутки до и после него — G₁ и G₂ (от gap — разрыв, промежуток). Деление обозначили буквой M (mitosis).

Сколько длится цикл

Продолжительность цикла сильно зависит от типа клетки и условий. У типичной клетки млекопитающих в культуре цикл длится около суток, клетки эпителия кишечника обновляются за несколько суток, а гепатоциты здоровой печени делятся раз в год или реже. Рекордно короткие циклы — у дробящихся зародышей: бластомеры шпорцевой лягушки делятся примерно каждые 30 минут, а ядра раннего зародыша дрозофилы — каждые 8–10 минут. Такие клетки не растут, периоды G₁ и G₂ у них почти исчезают, и цикл сводится к чередованию S и M: огромная яйцеклетка просто дробится на всё более мелкие бластомеры.

Из таблицы видно главное: интерфаза занимает около 90 % времени цикла, а митоз — самую малую его часть. Длительность S и G₂ меняется мало, потому что определяется объёмом работы: сколько ДНК нужно удвоить и сколько белков синтезировать. А G₁ может растянуться на часы, сутки и годы — именно в этом периоде клетка «решает», продолжать ли цикл. Поэтому, когда цикл одной и той же ткани укорачивается или удлиняется, меняется прежде всего G₁.

Интерфаза: G₁, S и G₂

Интерфаза начинается сразу после цитокинеза и заканчивается с началом профазы. Чтобы деление прошло успешно, к его началу клетка должна удвоить ДНК и центриоли, синтезировать белки веретена деления, запасти АТФ и увеличить число органоидов, чтобы каждой дочерней клетке досталось достаточно.

Пресинтетический период (G₁)

После деления дочерняя клетка примерно вдвое меньше материнской, поэтому прежде всего она растёт: увеличивается объём цитоплазмы, синтезируются РНК и белки, в том числе ферменты, образуются мембраны и органоиды, накапливается АТФ. К концу периода клетка синтезирует нуклеотиды и ферменты репликации — без них удвоение ДНК невозможно. Хромосомы однохроматидные, набор — 2n2c.

В G₁ решается судьба клетки. Она может пройти особую контрольную точку и вступить в S-период, задержаться, если не хватает питательных веществ или сигналов, либо выйти из цикла в состояние покоя G₀ и дифференцироваться.

Синтетический период (S)

В S-периоде происходит репликация — удвоение молекул ДНК. Репликация идёт по трём принципам: комплементарности (напротив А встаёт Т, напротив Г — Ц), антипараллельности (новая цепь синтезируется в направлении 5ʹ → 3ʹ и антипараллельна матрице) и полуконсервативности (каждая дочерняя молекула состоит из одной старой и одной новой цепи). У эукариот на каждой хромосоме много точек начала репликации: если бы ДНК самой длинной хромосомы человека копировалась с одного конца, на это ушло бы больше месяца, а с тысяч точек одновременно хватает нескольких часов.

Параллельно с репликацией клетка в больших количествах синтезирует гистоны: новой ДНК нужны белки для упаковки в нуклеосомы. Когда репликация заканчивается, синтез гистонов резко ослабевает.

Итог S-периода: количество ДНК удвоилось (2n2c → 2n4c), а число хромосом осталось прежним. Каждая хромосома стала двухроматидной: её две сестринские хроматиды — это две одинаковые молекулы ДНК со своими белками, соединённые в области центромеры.

Постсинтетический период (G₂)

После репликации клетка с набором 2n4c завершает подготовку к делению. Синтезируется тубулин и другие белки, из которых будет построено веретено деления, запасается АТФ для движения хромосом, продолжается рост. Хромосомы двухроматидные, но всё ещё деспирализованы.

Важнейшая работа G₂ — проверка. Клетка контролирует, полностью ли удвоена ДНК и нет ли в ней повреждений; ошибки репликации исправляются ферментами репарации. Клетка с неисправленными повреждениями в митоз не вступает. Конец G₂ — начало профазы, когда хромосомы начинают спирализоваться.

Подробнее об интерфазе и механизме репликации — в уроке тренажёра «Клеточный цикл: интерфаза, её периоды и репликация ДНК».

Хромосомы и ДНК по ходу цикла

Состояние наследственного материала записывают формулой вида 2n2c. Буква n обозначает число хромосом в гаплоидном наборе, c — количество ДНК в гаплоидном наборе однохроматидных хромосом. У человека 2n = 46, поэтому в клетке с однохроматидными хромосомами 46 хромосом и 46 молекул ДНК (2n2c), а после удвоения ДНК — 46 хромосом и 92 молекулы ДНК (2n4c).

Правило, которое помогает в любой задаче линии 27: число хромосом равно числу центромер, а число молекул ДНК равно числу хроматид. В S-периоде удваивается число хроматид, в анафазе — число центромер (хромосом), а при цитокинезе и то и другое делится пополам.

Митоз — завершение цикла

Митоз — деление ядра эукариотической клетки, при котором дочерние ядра получают такой же набор хромосом, как у материнского. Обычно за ним следует цитокинез — разделение цитоплазмы. Митоз делят на четыре фазы (некоторые учебники выделяют ещё прометафазу между профазой и метафазой).

Цитокинез у животных и растений идёт по-разному. В клетке животного кольцо из актиновых и миозиновых нитей стягивает мембрану в области экватора, образуя перетяжку. Клетка растения с жёсткой стенкой перетянуться не может: в центре экватора пузырьки комплекса Гольджи сливаются в клеточную пластинку, которая растёт от центра к краям и превращается в новую клеточную стенку.

Биологическое значение митоза — точное распределение наследственной информации: дочерние клетки генетически идентичны материнской. На митозе основаны рост организма, регенерация, обновление тканей и бесполое размножение. Подробнее о фазах митоза, веретене деления, кариокинезе и цитокинезе — в уроке «Анафаза, телофаза, веретено деления, кариокинез и цитокинез», о типах митоза, эндомитозе и амитозе — в статье «Типы митоза».

Клетки вне цикла: состояние G₀

Большинство клеток взрослого организма не делится. Клетка, прошедшая дифференцировку, нередко выходит из цикла и переходит в состояние покоя G₀: обмен веществ в ней идёт, функции выполняются, но к делению она не готовится. Выход в G₀ происходит из периода G₁, и возвращение в цикл — тоже через G₁: клетке нужно несколько часов, чтобы возобновить рост и синтезировать ферменты репликации, прежде чем начнётся S-период.

Классический пример обратимого G₀ — печень. После удаления двух третей печени крысы почти все оставшиеся гепатоциты вступают в цикл, и примерно за неделю масса органа восстанавливается, после чего клетки снова уходят в покой. Другой пример — лимфоциты: покоящийся лимфоцит при встрече со своим антигеном вступает в цикл и многократно делится, образуя клон.

Внешние и внутренние сигналы

Если бы клетки делились независимо от нужд организма, ткани росли бы беспорядочно. Поэтому решение о делении клетка принимает по сигналам, приходящим извне и изнутри.

Внешние сигналы — прежде всего факторы роста: белки, которые выделяют другие клетки. Фактор роста связывается с рецептором на мембране, и рецептор запускает в клетке цепь реакций, которая включает гены, нужные для вступления в цикл. Факторы роста получили названия по месту открытия или действия: фактор роста эпидермиса, фактор роста тромбоцитов (его выделяют тромбоциты в ране, и клетки соединительной ткани начинают делиться, заживляя повреждение), фактор роста нервов. На деление влияют и гормоны: эстрогены стимулируют деление клеток слизистой матки, соматотропин — рост костей в длину.

Деление зависит и от окружения клетки. Нормальные клетки в культуре делятся, пока не покроют дно сосуда сплошным слоем, а затем останавливаются — это контактное торможение. Если в слое сделать царапину, клетки по её краям снова начинают делиться и заполняют пустоту. Кроме того, большинству клеток для деления нужно прикрепиться к поверхности и распластаться на ней: клетки, плавающие во взвеси, не делятся.

Внутренние сигналы отражают состояние самой клетки: достигла ли она нужного размера, цела ли ДНК, закончена ли репликация, все ли хромосомы прикреплены к веретену. Клетка переходит к следующему периоду, только когда условия выполнены.

Контрольные точки

Каким образом клетка «проверяет» условия? Ответ дал американский генетик Лиланд Хартвелл. В 1970-х годах он получил у пекарских дрожжей десятки мутантов, у которых цикл останавливался на определённом этапе, и назвал соответствующие гены cdc (cell division cycle). Изучая, как дрожжи реагируют на облучение, Хартвелл с Тедом Вайнертом в 1988–1989 годах ввели понятие контрольной точки — момента цикла, в котором клетка проверяет, выполнены ли предыдущие этапы, и при невыполнении условий задерживает цикл.

Точка рестрикции особенная: пройдя её, клетка, как правило, завершает цикл, даже если внешние сигналы исчезли. До неё деление можно отменить, после — уже нет. Точка сборки веретена защищает от неравного распределения хромосом: если хотя бы одна хромосома не прикреплена, анафаза не начнётся. Именно поэтому колхицин, разрушающий нити веретена, останавливает деление в метафазе. Этим пользуются генетики: в метафазе хромосомы спирализованы сильнее всего, и по ним составляют кариотип.

Циклины и циклин-зависимые киназы

Молекулярный «двигатель» цикла составляют белки двух типов. Циклин-зависимые киназы (CDK, от cyclin-dependent kinase) — ферменты, которые присоединяют остаток фосфорной кислоты к другим белкам (фосфорилируют их) и тем самым включают или выключают эти белки. Количество киназ в течение цикла почти не меняется, но в одиночку они неактивны. Активность им придаёт присоединение циклина — белка, содержание которого меняется циклически: он синтезируется в определённый период, накапливается и затем быстро разрушается. Поэтому работу комплекса определяет уровень циклина, а не киназы.

Как устроен переход G₁ → S. Белок RB (от retinoblastoma — ретинобластома, опухоль сетчатки, при которой его впервые нашли) в нефосфорилированном состоянии связывает фактор транскрипции E2F и не даёт ему включать гены репликации. Когда факторы роста вызывают синтез циклина D, комплекс циклин D — CDK4/6 фосфорилирует RB, тот отпускает E2F, и E2F включает гены циклина E, ферментов синтеза нуклеотидов и ДНК-полимеразы. Это и есть прохождение точки рестрикции.

Как клетка выходит из митоза. Когда все хромосомы прикреплены к веретену, особый ферментный комплекс помечает циклин B цепочкой белка убиквитина, и протеасомы быстро его расщепляют. Активность CDK1 падает, хромосомы деспирализуются, восстанавливаются ядерные оболочки. Разрушение циклина необратимо, поэтому цикл движется только вперёд, как по храповику.

Работу комплексов циклин — CDK тормозят ингибиторы — небольшие белки, которые садятся на комплекс и блокируют его. Через них клетка останавливает цикл в контрольных точках. Самый известный ингибитор — белок p21; его синтез включает белок p53, о котором — ниже.

Белок p53 и апоптоз

Белок p53 (масса около 53 кДа) называют стражем генома. В здоровой клетке его мало: он постоянно синтезируется и тут же разрушается. Когда ДНК повреждена — излучением, мутагенами, ошибками репликации, — разрушение прекращается, p53 накапливается в ядре и как фактор транскрипции включает гены-мишени.

При небольших повреждениях p53 включает синтез ингибитора p21: комплексы циклин — CDK блокируются, цикл останавливается в G₁ или G₂, и у клетки появляется время на репарацию. После исправления ДНК содержание p53 снижается, и цикл продолжается. Если повреждение исправить невозможно, p53 запускает апоптоз — программируемую гибель клетки. Так клетка с изменённым геномом удаляется прежде, чем успеет размножиться.

Апоптоз — не авария, а аккуратный «демонтаж». Клетка сжимается, хроматин уплотняется, ферменты каспазы разрезают белки, а ДНК разрезается на фрагменты; клетка распадается на окружённые мембраной апоптотические тельца, которые поглощают фагоциты. Содержимое клетки не выходит наружу, и воспаления не возникает. При некрозе, наоборот, клетка набухает и разрывается, а её содержимое вызывает воспаление.

Апоптоз нужен не только для борьбы с мутациями. Путём апоптоза исчезают перепонки между пальцами у зародыша человека и хвост головастика, погибают лишние нейроны, не установившие связей, удаляются T-лимфоциты, реагирующие на собственные белки организма. У нематоды Caenorhabditis elegans из 1090 соматических клеток, образующихся при развитии гермафродита, ровно 131 погибает путём апоптоза — всегда одни и те же; за изучение генетики этого процесса Сидней Бреннер, Роберт Хорвиц и Джон Салстон получили Нобелевскую премию 2002 года.

Когда регуляция ломается: опухоли

Деление клетки контролируют две группы генов с противоположным действием. Протоонкогены кодируют белки, стимулирующие деление: факторы роста и их рецепторы, белки сигнальных путей, циклины. В норме они работают только при поступлении сигналов. Мутация, делающая продукт постоянно активным, превращает протоонкоген в онкоген — «педаль газа» оказывается прижатой к полу. Достаточно изменения одного аллеля, поэтому такая мутация проявляется как доминантная.

Гены-супрессоры опухолей (p53, RB и другие) кодируют белки, которые тормозят деление или запускают апоптоз. Опасна утрата их функции, но одного работающего аллеля обычно хватает, чтобы сохранить торможение. Поэтому клетка становится опухолевой, как правило, когда выведены из строя оба аллеля — «тормоза» отказали полностью.

Опухоль не возникает от одной мутации: в клетке должны накопиться изменения в нескольких генах, управляющих делением и гибелью. Поэтому риск опухолей растёт с возрастом и при действии мутагенов — ультрафиолета, ионизирующего излучения, компонентов табачного дыма. Клетки злокачественной опухоли не подчиняются факторам роста и контактному торможению, устойчивы к апоптозу, часто имеют активную теломеразу и способны делиться неограниченно, прорастают в соседние ткани и образуют метастазы — вторичные очаги в других органах. Доброкачественная опухоль растёт медленно, окружена капсулой, не прорастает в соседние ткани и метастазов не даёт.

Многие противоопухолевые препараты действуют именно на клеточный цикл. Винбластин и винкристин из катарантуса розового и колхицин разрушают микротрубочки веретена, паклитаксел из коры тихоокеанского тиса, наоборот, не даёт им разбираться — в обоих случаях деление останавливается в метафазе. С 2015 года применяют ингибиторы CDK4/6, которые не дают опухолевой клетке пройти точку рестрикции. Лучевая и химиотерапия сильнее всего поражают быстро делящиеся клетки, поэтому их побочные эффекты — выпадение волос, повреждение слизистой кишечника, угнетение кроветворения.

Сколько раз может делиться клетка

До 1960-х годов считалось, что клетки в культуре, если их правильно кормить, делятся бесконечно. В 1961 году Леонард Хейфлик и Пол Мурхед показали, что фибробласты эмбриона человека делятся лишь около 50 раз (от 40 до 60), а затем необратимо прекращают деление и стареют. Это ограничение называют пределом Хейфлика.

Одна из причин — укорочение теломер, концевых участков хромосом из многократно повторённой последовательности ТТАГГГ. ДНК-полимераза не может достроить самый конец отстающей цепи, поэтому при каждой репликации хромосома теряет от 50 до 200 нуклеотидов концевой ДНК. Когда теломеры становятся критически короткими, клетка воспринимает их как повреждение ДНК: включается p53, и цикл останавливается навсегда. В стволовых и половых клетках работает фермент теломераза, который достраивает теломеры, используя собственную РНК как матрицу; она же активна в большинстве опухолевых клеток. Знаменитые клетки HeLa, полученные в 1951 году из опухоли Генриетты Лакс, делятся в лабораториях всего мира больше семидесяти лет. Подробнее — в статье «Теломеры и теломераза».

Что проверяют на ЕГЭ

Элемент 2.6 кодификатора ЕГЭ-2027 — «Клеточный цикл, его периоды и регуляция. Интерфаза и митоз…» — проверяют задания линий 3, 5–8, 20–25 и 27. В линии 27 это задачи на число хромосом и молекул ДНК в интерфазе и митозе, на репликацию и метку. В кодификаторе 2027 года курсивом, то есть как не проверяемые на экзамене, выделены теломеры и теломераза, регуляция митотического цикла, апоптоз и функциональная геномика. Но общая регуляция — внешние и внутренние сигналы, состояние G₀, роль подготовки к делению — входит в основной текст элемента, а знание циклинов и p53 помогает отвечать на вопросы линий 22–25 о действии излучения, опухолях и регенерации.

Для тренировки — тема 2.6 в тренажёре ЕГЭ по биологии и уроки по теме на странице тренажёра.

Для олимпиад

Как измеряют длительность периодов

Митотический индекс — доля клеток, находящихся в митозе. Если клетки делятся несинхронно и все проходят цикл, в первом приближении доля клеток в каждом периоде равна доле этого периода во времени цикла: t = T · (доля клеток). Но в растущей популяции молодых клеток больше, чем старых: каждая делящаяся клетка даёт две новые. Точная формула для периода, которым цикл заканчивается (для митоза), с учётом экспоненциального роста: t_M = T · log₂(1 + MI), где MI — митотический индекс. При MI = 0,05 и T = 20 ч простая оценка даёт 60 мин, а точная — около 85 мин.

Длительность S-периода измеряют методом меченых митозов (Говард Квастлер и Фредерик Шерман, 1959): клеткам на короткое время дают радиоактивный тимидин — его включают в ДНК только клетки в S-периоде — и затем каждый час считают долю меченых клеток среди митотических. Первые меченые митозы появляются через время, равное G₂; доля меченых держится высокой столько, сколько длится S; второй подъём наступает через время, равное полному циклу. Сегодня содержание ДНК в тысячах клеток измеряет проточный цитометр: на гистограмме виден пик клеток с 2c (G₁ и G₀), пик с 4c (G₂ и M) и «плато» между ними — клетки в S-периоде.

Опыты, открывшие регуляторы

В 1970 году Потху Рао и Роберт Джонсон сливали клетки HeLa, находившиеся в разных периодах цикла. Если сливалась клетка в S-периоде с клеткой в G₁, ядро G₁ преждевременно начинало синтез ДНК: в цитоплазме S-клетки есть активатор репликации. Слияние S-клетки с G₂-клеткой не заставляло ядро G₂ снова реплицировать ДНК: ядро, уже удвоившее ДНК, повторно её не копирует до митоза. Слияние клетки в митозе с интерфазной клеткой вызывало преждевременную конденсацию хромосом в интерфазном ядре: в митотической клетке есть фактор, запускающий митоз.

Этот фактор раньше нашли в ооцитах лягушки Ёсио Масуи и Клемент Маркерт (1971): цитоплазма созревшей яйцеклетки, введённая в незрелый ооцит, вызывала его созревание. Его назвали MPF (maturation-promoting factor), и лишь к 1990 году выяснилось, что MPF — это комплекс циклина B с киназой CDK1. Так три независимых направления — генетика дрожжей, биохимия яиц морского ежа и физиология ооцитов лягушки — сошлись на одних и тех же молекулах.

Гипотеза двух ударов и парадокс Пето

В 1971 году Альфред Кнудсон, изучая статистику ретинобластомы, предположил, что для опухоли нужны две мутации одного гена. При наследственной форме ребёнок получает один мутантный аллель от родителя, и достаточно одной соматической мутации — опухоли возникают рано и часто в обоих глазах. При ненаследственной форме в одной клетке должны случайно произойти обе мутации — опухоль появляется позже и в одном глазу. Позже ген нашли: это RB, первый открытый ген-супрессор.

Если вероятность рака пропорциональна числу делений клеток, то у крупных и долгоживущих животных рак должен встречаться гораздо чаще, чем у мышей. Этого не наблюдается (парадокс Пето). Одно из объяснений нашли у слонов: в их геноме около 20 копий гена p53 (у человека — одна пара аллелей), и их клетки при повреждении ДНК охотнее уходят в апоптоз. Устойчивость к раку голого землекопа связывают, в частности, с особенно ранним контактным торможением.

Вирусы против контрольных точек

Онкогенные вирусы папилломы человека производят два белка: E6 отправляет p53 на разрушение, а E7 связывает RB и освобождает E2F. Заражённая клетка теряет обе контрольные системы и вступает в S-период независимо от сигналов — вирусу это нужно для собственной репликации, а для человека оборачивается риском рака шейки матки. Именно из такой опухоли получены клетки HeLa.

Интересные факты

• За сутки в организме взрослого человека образуется около 300 миллиардов новых клеток, больше всего — клеток крови и эпителия кишечника; примерно столько же погибает, в основном путём апоптоза.
• Ядра зародыша дрозофилы в первые часы развития делятся каждые 8–10 минут без цитокинеза: образуется синцитий из нескольких тысяч ядер в общей цитоплазме, и лишь потом вокруг них формируются мембраны.
• Слово «апоптоз» предложили в 1972 году Джон Керр, Эндрю Уайли и Аластер Карри; по-гречески оно означает опадание листьев: клетки отделяются и исчезают тихо, как листья осенью.
• Кардиомиоциты человека всё-таки обновляются: радиоуглеродное датирование ДНК показало, что за год заменяется около 1 % клеток сердечной мышцы у молодых людей и меньше — у пожилых.
• Мутации гена p53 находят примерно в половине опухолей человека — больше, чем у любого другого гена.
• У пекарских дрожжей цикл длится около 90 минут, и они делятся почкованием: размер почки по отношению к материнской клетке показывает, в каком периоде находится клетка, — этим пользовался Хартвелл, отбирая мутантов.

Задания с разбором

Задание 1. Число хромосом и ДНК (линия 3)

В соматической клетке томата 24 хромосомы. Сколько молекул ДНК содержится в ядре этой клетки в конце синтетического периода интерфазы? В ответе запишите только число.

Задание 2. Число хромосом и ДНК (линия 3)

В клетке базального слоя эпидермиса человека 46 хромосом. Сколько хромосом находится в этой клетке в анафазе митоза? В ответе запишите только число.

Задание 3. Множественный выбор (линия 7)

Выберите три верных утверждения об интерфазе.

1. В синтетическом периоде число хромосом в ядре удваивается.
2. В пресинтетическом периоде клетка растёт и синтезирует белки.
3. Хромосомы деспирализованы и в световой микроскоп не различимы.
4. Ядерная оболочка разрушена.
5. В постсинтетическом периоде синтезируются белки веретена деления.
6. В постсинтетическом периоде набор хромосом и ДНК — 2n2c.

Задание 4. Установите соответствие (линия 6)

Установите соответствие между процессом и периодом интерфазы: 1) пресинтетический (G₁), 2) синтетический (S), 3) постсинтетический (G₂).

Задание 5. Последовательность (линия 8)

Установите последовательность событий, начиная с пресинтетического периода интерфазы.

1. расхождение сестринских хроматид к полюсам клетки
2. синтез тубулина
3. удвоение молекул ДНК
4. расположение хромосом в экваториальной плоскости
5. синтез нуклеотидов и ферментов репликации

Задание 6. Множественный выбор (линия 7)

Выберите три верных утверждения о регуляции клеточного цикла.

1. Факторы роста стимулируют вступление клеток в цикл.
2. Нормальные клетки в культуре продолжают делиться, образуя многослойные скопления.
3. Клетка в состоянии G₀ не готовится к делению, но выполняет свои функции.
4. Гепатоциты необратимо вышли из цикла и при повреждении печени не делятся.
5. При повреждении ДНК клеточный цикл может приостанавливаться на время репарации.
6. Нейроны взрослого человека постоянно находятся в синтетическом периоде.

Задание 7. Работа с таблицей (линия 20)

Проанализируйте таблицу и заполните пустые ячейки, используя элементы из списка.

Список: 1) постсинтетический; 2) анафаза; 3) рост клетки и синтез ферментов репликации; 4) 2n2c → 2n4c; 5) 4n4c; 6) расхождение хроматид; 7) метафаза; 8) n2c.

Задание 8. Анализ опыта (линии 22–23)

Исследователь выращивал фибробласты в двух сосудах с питательной средой. В первый сосуд добавляли сыворотку крови, содержащую факторы роста, во второй — нет. Через двое суток с помощью прибора, измеряющего содержание ДНК в каждой клетке, он определил: в первом сосуде 55 % клеток содержали 2c ДНК, 25 % — промежуточное количество, 20 % — 4c; во втором сосуде 95 % клеток содержали 2c ДНК. Какая переменная в опыте независимая, какая зависимая? Почему результаты опыта могут быть недостоверными, если во втором сосуде было в десять раз меньше клеток? Объясните результат: в каком периоде или состоянии находятся клетки второго сосуда?

Задание 9. Найдите ошибки (линия 24)

Найдите три ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их.

(1) Клеточный цикл включает интерфазу и митоз. (2) В пресинтетическом периоде клетка растёт, синтезирует РНК и белки, её набор — 2n2c. (3) В синтетическом периоде удваивается число хромосом. (4) В постсинтетическом периоде синтезируются белки веретена деления и проверяется правильность репликации. (5) Интерфаза — самая короткая часть клеточного цикла. (6) Нейроны взрослого человека большую часть жизни находятся в синтетическом периоде.

Задание 10. Обобщение знаний (линия 25)

Почему при лучевой терапии злокачественной опухоли у человека выпадают волосы, повреждается слизистая кишечника и снижается число лейкоцитов в крови, а нервная ткань и сердечная мышца страдают значительно меньше? Приведите не менее трёх объяснений.

Задание 11. Задача по цитологии (линия 27)

Соматические клетки твёрдой пшеницы содержат 28 хромосом. Определите число хромосом и молекул ДНК в клетке кончика корня перед началом митоза, в анафазе и в конце телофазы митоза. Объясните полученные результаты.

Задание 12. Задача по цитологии (линия 27)

В клетке кончика корня конского боба 2n = 12. Клетки на время одного S-периода поместили в среду с радиоактивным тимидином (меченым нуклеотидом ДНК), а затем перенесли в среду без метки. Сколько хромосом и сколько хроматид будут содержать метку в метафазе первого митоза после переноса? Сколько хроматид будет мечено в метафазе второго митоза? Ответ поясните, исходя из принципа репликации.

Задание 13 (олимпиадное). Митотический индекс

В препарате меристемы корня лука подсчитали 2000 клеток: в интерфазе — 1800, в профазе — 110, в метафазе — 30, в анафазе — 20, в телофазе — 40. Длительность клеточного цикла — 20 ч. а) Считая, что доля клеток в фазе пропорциональна её длительности, найдите длительность митоза и каждой его фазы. б) Найдите длительность митоза по формуле t_M = T · log₂(1 + MI), учитывающей рост популяции (log₂ 1,1 ≈ 0,1375). в) Почему простая оценка занижает длительность митоза?

Задание 14 (олимпиадное). Проточная цитометрия и слияние клеток

Популяция клеток в культуре удваивается за 20 ч; все клетки делятся. При измерении содержания ДНК в 10 000 клеток 5800 содержали 2c, 1700 — 4c, остальные — промежуточное количество. Митотический индекс — 2 %. а) Оцените (по простой пропорции) длительность G₁, S, G₂ и M. б) Клетку из пика 2c слили с клеткой, содержание ДНК которой было промежуточным. Что произойдёт с ядром первой клетки и почему? в) Что произойдёт, если клетку из пика 4c, не находящуюся в митозе, слить с клеткой в S-периоде?

Литература

1. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. 4-е изд. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.
2. Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. В 3 т. М.; Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2013.
3. Morgan D. O. The Cell Cycle: Principles of Control. London: New Science Press, 2007.
4. Howard A., Pelc S. R. Synthesis of deoxyribonucleic acid in normal and irradiated cells and its relation to chromosome breakage // Heredity. 1953. Vol. 6 (Suppl.). P. 261–273.
5. Rao P. N., Johnson R. T. Mammalian cell fusion: studies on the regulation of DNA synthesis and mitosis // Nature. 1970. Vol. 225. P. 159–164.
6. Evans T. et al. Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division // Cell. 1983. Vol. 33. P. 389–396.
7. Hartwell L. H., Weinert T. A. Checkpoints: controls that ensure the order of cell cycle events // Science. 1989. Vol. 246. P. 629–634.
8. Hayflick L., Moorhead P. S. The serial cultivation of human diploid cell strains // Experimental Cell Research. 1961. Vol. 25. P. 585–621.
9. Kerr J. F. R., Wyllie A. H., Currie A. R. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics // British Journal of Cancer. 1972. Vol. 26. P. 239–257.
10. Abegglen L. M. et al. Potential mechanisms for cancer resistance in elephants and comparative cellular response to DNA damage in humans // JAMA. 2015. Vol. 314. P. 1850–1860.