有絲分裂

有絲分裂

有絲分裂(mitosis),又稱做間接分裂,由W. Fleming于1882年首次發現于動物及E. Strasburger(1880)年發現于植物。特點是有紡錘體染色體出現,子染色體被平均分配到子細胞,這種分裂方式普遍見于高等動植物(動物和高等植物)。是真核細胞分裂產生體細胞的過程。動物細胞(低等植物細胞)和高等植物細胞的有絲分裂是不同的。

  • 中文學名
    有絲分裂
  • 別稱
    間接分裂
  • 植物界
  • 分裂間期
    三個階段
  • 分裂機製
    紡錘體的形成、染色、運動
  • 動物細胞
    與植物細胞互有不同。

​細胞周期

分裂具有周期性,即連續分裂的細胞,從一次分裂完成時開始,到下一次分裂完成時為止,從前期開始繞逆時針到前期結束(下圖)為一個細胞周期。一個細胞周期包括兩個階段:分裂間期和分裂期,分裂間期分G1、S和G2期,分裂間期為分裂期進行活躍的物質準備,完成DNA分子的復製和有關蛋白質的合成,同時細胞有適度的生長(這兩個階段所佔的時間相差較大,一般分裂間期大約佔細胞周期的90%-95%;分裂期大約佔細胞周期的5%-10%。細胞種類不同,一個細胞周期的時間也不相同。)分裂期又分為分裂前期、分裂中期、分裂後期和分裂末期。細胞在分裂之前,必須進行一定的物質準備。細胞增殖包括物質準備和細胞分裂整個過程。有絲分裂是一個連續的過程按先後順序劃分為間期、前期、中期、後期和末期五個時期,在前期和中期之間有時還劃分出一個前中期

細胞周期細胞周期
有絲分裂各項目變化總覽(以二倍體為例)
比較項目體細胞間期前期中期後期末期
染色體變化2N2N2N2N2N-4N4N-2N
DNA分子變化2A2A-4A4A4A4A4A-2A
染色單體變化00-4n4n4n4n-0

有絲分裂中DNA和染色體的數目變化曲線圖

有絲分裂

分裂間期

有絲分裂間期分為G1(DNA合成前期)、S(DNA合成期)、G2(DNA合成後期) 三個階段,其中G1期與G2期進行RNA(即核糖核酸)的復製與有關蛋白質的合成,S期進行DNA的復製;其中,G1期主要是染色體蛋白質和DNA解旋酶的合成,G2期主要是細胞分裂期有關酶與紡錘絲蛋白質的合成。在有絲分裂間期,染色質沒有高度螺旋化形成染色體,而是以染色質的形式進行DNA(即脫氧核糖核酸)單鏈復製。有絲分裂間期是有絲分裂全部過程重要準備過程,是一個重要的基礎工作。

(現代醫學,利用有關葯物,製止了細胞中的紡錘絲的形成,從而抑製了細胞的有絲分裂,使細胞分裂停止于G0(G0階段指因某些因素使細胞分裂停止,改變外因可是細胞重新進行分裂的時期)階段,利用該技術的有關葯物有效地遏製了癌細胞的惡性增殖和擴散。)

分裂期

前期 (prophase)

自分裂期開始到核膜解體為止的時期。間期細胞進入有絲分裂前期時,細胞核的體積增大,由染色質構成的細染色線螺旋纏繞並逐漸縮短變粗,形成染色體。因為染色質在間期中已經復製,所以每條染色體由兩條染色單體組成,即兩條並列的姐妹染色體,這兩條染色單體有一個共同的著絲點連線。核仁在前期的後半期漸漸消失。在前期末核膜破裂,于是染色體散于細胞質中。動物細胞有絲分裂前期時靠近核膜有兩個中心體。每個中心體有一對中心粒和圍繞它們的亮域,稱為中心質或中心球所組成。由中心體放射出星體絲(又叫紡錘絲),即放射狀微管。帶有星體絲(紡錘絲)的兩個中心體逐漸分開,移向相對的兩極(圖1)。這種分開過程推測是由于兩個中心體之間的星體絲(紡錘絲)微管相互作用,更快地成長,結果把兩個中心體(兩對中心粒)推向兩極,而于核膜破裂後終于形成兩極之間的紡錘體

有絲分裂前期有絲分裂前期

前中期 自核膜破裂起到染色體排列在赤道面上為止。核膜的斷片殘留于細胞質中,與內質網不易區別,在紡錘體的周圍有時可以看到它們。

前中期的主要過程是紡錘體的最終形成和染色體向赤道面的運動。紡錘體有兩種類型:一為有星紡錘體,即兩極各有一個以一對中心粒為核心的星體,見于絕大多數動物細胞和某些低等植物細胞。一為無星紡錘體。兩極無星體,見于高等植物細胞(圖2)。曾經認為有星紡錘體含有三種紡錘絲,即三種微管。一種是星體微管,由星體散射出的微管;二是極微管,是由兩極分別向相對一級方向伸展的微管,在赤道區來自兩極的極微管互相重疊。認為極微管可能是由星體微管伸長形成的。三是著絲點微管,與著絲點聯結的微管,亦稱著絲點絲或牽引絲。著絲點是在染色體的著絲粒的兩側發育出的結構。有報告說著絲點有使微管蛋白聚合成微管的功能。無星紡錘體隻有極微管與著絲點微管。

有絲分裂

核膜破裂後染色體分散于細胞質中。每條染色體的兩條染色單體其著絲點分別通過著絲點與兩極相連。由于極微管和著絲微管之間的相互作用,染色體向赤道面運動。最後各種力達到平衡,染色體乃排列到赤道面上。

中期 (metaphase)

有絲分裂中期有絲分裂中期

從染色體排列到赤道板上,到它們的染色單體開始分向兩極之前,這段時間稱為中期。有時把前中期也包括在中期之內。中期染色體在赤道面形成所謂赤道板。從一端觀察可見這些染色體在赤道板呈放射狀排列,這時它們不是靜止不動的,而是處于不斷擺動的狀態。中期染色體濃縮變粗,顯示出該物種所特有的數目和形態。因此有絲分裂中期適于做染色體的形態、結構和數目的研究,適于核型分析。中期時間較短。

後期 (anaphase)

每條染色體的兩條姊妹染色單體分開並移向兩極的時期。分開的染色體稱為子染色體。子染色體到達兩極時後期結束。染色單體的分開常從著絲點處開始,然後兩個染色單體的臂逐漸分開。當它們完全分開後就向相對的兩極移動。這種移動的速度依細胞種類而異,大體上在0.2~5微米/分。平均速度約為為 1微米/分。同一細胞內的各條染色體都差不多以同樣速度同步地移向兩極。子染色體向兩極的移動是靠紡錘體的活動實現的。

有絲分裂後期有絲分裂後期

末期 (telophase)

從子染色體到達兩極開始至形成兩個子細胞為止稱為末期。此期的主要過程是子核的形成和細胞體的分裂。子核的形成大體上是經歷一個與前期相反的過程。到達兩極的子染色體首先解螺旋而輪廓消失,全部子染色體構成一個大染色質塊,在其周圍集合核膜成分,融合而形成子核的核膜,隨著子細胞核的重新組成,核內出現核仁。核仁的形成與特定染色體上的核仁組織區的活動有關。 細胞體的分裂稱胞質分裂。動物和某些低等植物細胞的胞質分裂是以縊束或起溝的方式完成的。縊束的動力一般推測是由于赤道板的細胞質周邊的微絲收縮的結果。微絲的緊縮使細胞在此區域產生縊束,縊束逐漸加深使細胞體最後一分為二。

高等植物細胞的胞質分裂是靠細胞板的形成。在末期,紡錘絲首先在靠近兩極處解體消失,但中間區的紡錘絲保留下來,並且微管增加數量,向周圍擴展,形成桶狀結構,稱為成膜體。與形成成膜體的同時,來自內質網和高爾基器的一些小泡和顆粒成分被運輸到赤道區,它們經過改組融合而參加細胞板的形成。細胞板逐漸擴展到原來的細胞壁乃把細胞質一分為二(右圖)。細胞質中的有關細胞器,如線粒體葉綠體等不是均等分配,而是隨機進入兩個子細胞中。細胞板由兩層薄膜組成,兩層薄膜之間積累果膠質,發育成胞間層,兩側的薄膜積累纖維素,各自發育成子細胞的初生壁

有絲分裂末期有絲分裂末期

【細胞有絲分裂記憶口訣】

(一)有絲分裂

前期:膜仁消失現兩體

中期:形定數晰赤道齊

有絲分裂

後期:點裂體增均兩極

末期:兩消兩現重開始

(二)分裂期口訣

前期:膜仁失,兩體現;

中期:體列中,數清晰;

後期:點裂增,體均分;

末期:前期反,中現板(植物)。

細胞器

中心體--與紡錘體的形成有關;

線粒體-與提供能量有關 ;

高爾基體--與植物新形成的細胞壁有關

核糖體--與全過程需要的蛋白質合成有關,主要與間期進行的DNA復製需要的蛋白質有關

分裂機製

染色體的集縮 構成染色體的細線在分裂前期縮短變粗,染色體的這種集縮運動是通過染色線的螺旋化實現的。染色質濃縮過程和細胞質中的某些因素有關。如果用實驗方法使分裂期細胞與間期細胞融合,可以觀察到間期細胞染色質會提前集縮成染色體。這說明分裂期細胞的細胞質中有某種物質能促使染色體集縮。

紡錘體的形成

微管蛋白聚合成紡錘體微管的過程。微管蛋白的聚合有兩種基本形式:一種是自我裝配型,另一種是位點起始裝配型,後者有特殊位點做為聚合的起始部位,前者沒有這種特殊位點。形成紡錘體時的位點統稱為"微管組織中心"(MTOC)。中心體著絲點都是MTOC,它們在離體情況下都能表現出使微管蛋白聚合成微管的能力。紡錘體的形成顯然和這些MTOC的活動是分不開的。

中期染色體運動

有絲分裂後期有絲分裂後期

用葯物(秋水仙素、巰基乙醇等)破壞紡錘體,則染色體不能排列到赤道面,除去葯物後,紡錘體重新形成,則染色體又能排列到赤道面,由此可見,染色體向赤道面的排列和紡錘體的活動有關。由輻射損傷或其他原因造成的沒有著絲點的染色體斷片不能排列到赤道面上。因此說明,染色體向赤道面的排列和著絲點的活動有關。用微束紫外線照射時二價體的一側著絲點或著絲點絲,則染色體不能正好位于赤道面,而偏近于未受照射的著絲點所面向的一極。這說明染色體在赤道面的配位必須兩個著絲點及與兩極相連的兩側著絲點絲都正常地發揮作用。根據以上事實和其他觀察,推測在前中期時兩個著絲點分別以著絲點絲與兩極相連,靠兩極牽引力的平衡,使染色體位于赤道面上。除這種牽引平衡的力量外,還可能有其他一些因素起輔助作用。

染色體運動

後期時兩組子染色體向兩極移動,而在有些細胞兩極也被推開更遠。關于這種運動的機製尚無定論。後期時著絲點微管在向極的末端不斷解聚,因而逐漸變短。這可能是使染色體被拉向兩極的重要原因。 因為在體外實驗中給模型細胞增加O以阻抑微管的解聚時,則染色體向兩極移動過程停止,反之,如果增加少量秋水仙素以促使微管解聚速度加快,則染色體向兩極移動速度也加快。有些細胞在分裂後期兩極分開更遠可能是由下述機製造成的:來自兩極的極微管在赤道區互相重疊,微管蛋白在它們的自由末端聚合而使微管加長。這些重疊的來自兩極的微管互相滑動,使兩極推開更遠。

動植物比較

不同

動物細胞有絲分裂的過程,與植物細胞的基本相同,不同的特點是:

1.動物細胞有中心體,在細胞分裂的間期,中心體的兩個中心粒各自經過中心粒復製新的中心粒,因而細胞中有兩組中心粒。在細胞分裂的過程中,兩組中心粒分別移向細胞的兩極。在這兩組中心粒的周圍,發出無數條星射線,兩組中心粒之間的星射線形成了紡錘體。

2.動物細胞在有絲分裂間期中心體復製,植物細胞中心體則沒有復製。(高等植物沒有中心體)

3.植物細胞分裂末期,在赤道板部位出現細胞板,並由中央向周圍擴展形成細胞壁。動物細胞分裂末期,赤道板處細胞膜向內凹陷,縊裂成兩個細胞。

有絲分裂的重要意義,是將親代細胞的染色體經過復製(實質為DNA的復製)以後,精確地平均分配到兩個子細胞中去。由于染色體上有遺傳物質DNA,因而在生物的親代和子代之間保持了遺傳性狀的穩定性。可見,細胞的有絲分裂對于生物的遺傳有重要意義。

相同

動物細胞有絲分裂的過程與植物細胞的分裂過程存在一個十分重要的相同點:

無論是動物細胞分裂過程還是植物細胞分裂過程都會有染色體的出現和紡錘體的形成。(植物:無星射線紡錘體;動物:星射線紡錘體)。染色體復製後平均分配。

意義

一、維持個體的正常生長和發育(組織及細胞間遺傳組成的一致性);

二、保證物種的連續性和穩定性(單細胞生物及無性繁殖生物個體間及世代間的遺傳組成的一致性)

實驗步驟

實驗目標

1、初步掌握製作根尖細胞有絲分裂裝片的技術。

2、觀察植物細胞有絲分裂的過程,識別分裂的不同時期。

3、初步掌握繪製生物圖的方法。

實驗原理

細胞的有絲分裂是一個連續動態的變化過程,但可以通過它的形態變化,特別是細胞核中的染色體行為,人為地劃分階段,並進行比較研究。在自然狀態下,一大群處于各個分裂期的細胞混雜在一起。必須仔細觀察,尋找有絲分裂過程各期典型形態特征的細胞,從而建立起細胞周期的概念。

植物的分生組織(如根尖分生區、莖尖生長點等)細胞,能夠通過有絲分裂增加其數目。依據植物細胞分裂周期中各個時期細胞中染色質或染色體的形態、數目、位置變化,確定該細胞所處的時期。為了看清染色體或染色質,要用鹼性染料將其染色。

實驗材料

蠶豆、蒜和蔥的根尖。

試劑儀器

洋蔥鱗莖,鑷子,刀片,培養皿,載玻片,蓋玻片,滴管,紗布,吸水紙,酒精燈,顯微鏡;固定液,15%鹽酸,醋酸洋紅染液,95%乙醇。

方法步驟

1、洋蔥根尖的培養

(1)培養洋蔥生根時,避免用新採收的洋蔥,因它尚在休眠不易生根。如果必須用當年剛採收的新洋蔥培養生根,則應設法打破它的休眠。常用的方法是用低濃度的赤酶素溶液浸泡洋蔥底盤,這樣可以促使其生根。培養過程中,註意每天至少換水一次,以防爛根。

(2)對于頭年收下的洋蔥,可以採用如下方法促使它生根:

①選擇底盤大的洋蔥作生根材料。

②剝去外層老皮,用刀削去老根(從底盤中央向四周削),註意不要削掉四周的"根芽"。

③用燒杯裝滿清水,放上洋蔥,放置在光照處。水要保持清潔,註意每天換水l~2次。一般2~3d即可獲得實驗所需材料(根長5cm)。

(3)固定時間取材。洋蔥根尖細胞有絲分裂的時間是有規律的。通常在每天上午10時至下午2時分裂活躍,尤其以下午2時最活躍,可在這時取材。可以把培養好的洋蔥根用卡洛氏固定液固定起來備用。因為培養一次洋蔥根不容易。

2、解離。用刀片切下長約2~3mm的根尖,放入盛有15%鹽酸和體積分數為95%的酒精溶液的混合液(1︰1)的培養皿中,解離3~5min,使根尖組織的細胞相互分開,待根尖透明酥軟即停止解離。如果要使解離加快,可以把培養皿放在酒精燈上微微加熱(不可煮沸)3~5 min。待根酥軟後,用鑷子取出。

解離充分是實驗成功的必備條件;解離的目的是用葯液溶解細胞間質,使組織細胞相互分離開。

3、漂洗。把取出的根尖放入清水漂洗約10min,也可以在培養皿口上蒙上-層紗布,用自來水細小的水流漂洗3~5min。

漂洗的目的是洗去根中多餘的解離液。如果不把多餘的解離液洗去,一方面會影響染色效果,因為解離液中含有HCl溶液,而用來染色的染料呈鹼性;另一方面還會腐蝕顯微鏡的鏡頭。

4、染色。把漂洗好的根尖置于載玻片上,用鑷子頭截下長約3mm的根尖,其餘部分丟棄,在根尖上滴一滴醋酸洋紅染液染色3~5min,如果要使染色加快,可把載玻片在酒精燈的火焰上快速過幾下(不可煮沸)。

5、裝片。在染好色的材料上蓋上蓋玻片,上面再覆一片載玻片,用拇指輕輕壓一下,使根尖組織成為均勻薄層的細胞層。

6、鏡檢

(1)低倍鏡觀察

把製成的洋蔥根尖裝片先放在低倍鏡下觀察,慢慢移動裝片,找到分生區細胞,其特點是:細胞呈正方形,排列緊密,有的細胞正在分裂。

(2)高倍鏡觀察

找到分生區細胞後,把低倍鏡移走,換上高倍鏡,用細準焦螺旋和反光鏡把視野調整清晰,直到看清細胞物像為止。

(3)仔細觀察

仔細觀察的目的是區分細胞分裂中各個時期內染色體變化的特點。可先找出處于細胞分裂中期的細胞,然後再找出前期、後期、末期的細胞,處于間期的細胞數目最多,最容易找到。

(4)在一個視野裏,往往不容易找全有絲分裂過程中各個時期的細胞。如果是這樣,可以慢慢地移動裝片,從鄰近的分生區細胞中尋找。

7、繪圖。在仔細觀察清楚有絲分裂各個時期的細胞的以後,繪出洋蔥根尖細胞有絲分裂的簡圖。

註意事項

1、培養產生洋蔥根尖的材料是洋蔥鱗莖。鱗莖底部接觸水,不能離開水,也不能被水淹。其目的是同時滿足其對水和空氣的需要。同時要經常換水,因為水中由于微生物的活動和根細胞的活動,代謝產物增多;此外,還由于根細胞的呼吸不斷產生CO2,使水中H2CO3增多,氧氣缺少;微生物,如細菌的大量繁殖也使水質受到污染,這些都不利于根尖生長,所以要經常換水。-般一天至少一次,還要提供適宜的溫度。

2、剪取洋蔥根尖材料時,應該在洋蔥一天之中分裂最活躍的時間,一般在上午11點左右。如果因氣溫影響或不在-上述時間做實驗的話,可以在細胞有絲分裂最盛時取材,放人盛有固定液的培養皿中固定,即浸泡半天到一天。固定後用75%乙醇沖洗幾次,再放入盛有70%乙醇的小廣口瓶中儲存。註意要等根尖長到l~5cm時才能切取,而切取的洋蔥根尖長度是2~3mm。根據實驗得知,根長到1~5cm時,根的長勢最佳,此時細胞分裂最旺盛,容易找到不同時期的分裂圖象。此時可取生長健壯的根進行觀察,切取洋蔥根尖2~3mm,這個長度要從根的頂端(根冠)開始算起,這個長度已將分生區包括了進來。若取材過長,在低倍鏡下尋找分生區就會很困難。

3、根尖培養好以後,裝片製作是否成功,關鍵的步驟是解離。15%的鹽酸溶液能溶解細胞壁之間的中層物質(胞間質),使組織中的細胞相互分開。否則,在顯微鏡下觀察時,細胞將發生重疊現象,導致實驗失敗。解離不充分,細胞重疊;解離過度,細胞會腐爛,所以解離要適度。為達到這一目的,配製的鹽酸濃度要適宜,切取的根尖應立即放入15%的鹽酸中,在室溫下解離10~15min。解離時間要視室內溫度而定,溫度低,時間稍長,溫度高,時間短。也可手拿鑷子,輕輕按正在解離的根尖,感覺酥軟即可。

4、漂洗的目的是洗去根中多餘的解離液。如果不把多餘的解離液洗去,一方面會影響染色效果,因為解離液中含HCl,而用染色的染料呈鹼性;另一方面還會腐蝕顯微鏡的鏡頭。

5、染色時,染色液的濃度和染色時間必須掌握好。特別是染色不能過深,否則鏡下一片紫色,無法觀察。也不能過淺,否則染色質和染色體的形態和數目不易辨清。

6、製片時,一方面要用鑷子把洋蔥根尖弄碎,另一方面要壓片,這樣可以使細胞分散開來。壓片時,在蓋玻片上再加一片載玻片的目的,一是避免壓碎和移動蓋玻片。二是使壓力大小適中,從而使組織細胞均勻分散。同時用力必須恰當,過重時會將組織壓爛,過輕則細胞未分散開,二者都將影響觀察。

7、結果與討論

在顯微鏡的一個視野中看到的細胞,多數處于細胞有絲分裂的間期,因為在一個細胞周期中,間期所佔的時間佔整個細胞周期的90%一95%,時間與細胞數目成正比。另外,在一個視野中,往往不容易找全有絲分裂過程中各個時期的細胞,可以慢慢地移動裝片,從鄰近的分生區細胞中尋找。

分裂圖像辨析

一看染色體數目:奇數為減Ⅱ(姐妹分家隻看一極) 二看有無同源染色體:沒有為減Ⅱ(姐妹分家隻看一極) 三看同源染色體行為:確定有絲或減Ⅰ

註意:若細胞質為不均等分裂,則為卵原細胞的減Ⅰ或減Ⅱ的後期。

同源染色體分家-減Ⅰ後期 姐妹分家-減Ⅱ後期

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