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有丝分裂,又称为间接分裂,由W. Fleming (1882)年首次发现于动物及E. Strasburger(1880)年发现于植物。特点是有纺锤体染色体出现,子染色体被平均分配到子细胞,这种分裂方式普遍见于高等动植物(动物和高等植物)。是真核细胞分裂产生体细胞的过程。

细胞周期

分裂具有周期性,即连续分裂的细胞,从一次分裂完成时开始,到下一次分裂完成时为止
细胞周期

细胞周期

,为一个细胞周期。一个细胞周期包括两个阶段:分裂间期和分裂期,分裂间期分G1、S和G2期,分裂间期为分裂期进行活跃的物质准备,完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成,同时细胞有适度的生长(这两个阶段所占的时间相差较大,一般分裂间期大约占细胞周期的90%-95%;分裂期大约占细胞周期的5%-10%。细胞种类不同,一个细胞周期的时间也不相同。)分裂期又分为分裂前期分裂中期分裂后期分裂末期。细胞在分裂之前,必须进行一定的物质准备。细胞增殖包括物质准备和细胞分裂整个过程。有丝分裂是一个连续的过程按先后顺序划分为间期、前期、中期、后期和末期五个时期,在前期和中期之间有时还划分出一个前中期

分裂间期

有丝分裂间期分为G1(DNA合成前期)、S(DNA合成期)、G2(DNA合成后期) 三个阶段,其中G1期与G2期进行RNA(即核糖核酸)的复制与有关蛋白质的合成,S期进行DNA的复制。其中,G1期主要是染色体蛋白质和DNA解旋酶的合成,G2期主要是细胞分裂期有关与纺锤丝蛋白质的合成。在有丝分裂间期,染色质没有高度螺旋化形成染色体,而是以染色质的形式进行DNA(即脱氧核糖核酸)单链复制。有丝分裂间期是有丝分裂全部过程重要准备过程,是一个重要的基础工作。
(现代医学,利用有关药物,制止了细胞中的纺锤丝的形成,从而抑制了细胞的有丝分裂,使细胞分裂停止于G0阶段,利用该技术的有关药物有效地遏制了癌细胞的恶性增殖和扩散。)

分裂期

有丝分裂前期

有丝分裂前期

前期 (prophase)
分裂期开始到核膜解体为止的时期。间期细胞进入有丝分裂前期时,细胞核的体积增大,由染色质构成的细染色线螺旋缠绕并逐渐缩短变粗,形成染色体。因为染色体在间期中已经复制,所以每条染色体由两条染色单体组成,即两条并列的姐妹染色体,这两条染色单体有一个共同的着丝点连接。核仁在前期的后半渐渐消失。在前期末核膜破裂,于是染色体散于细胞质中。动物细胞有丝分裂前期时靠近核膜有两个中心体。每个中心体由一对中心粒和围绕它们的亮域,称为中心质或中心球所组成。由中心体放射出星体丝(又叫纺锤丝),即放射状微管。带有星体丝(纺锤丝)的两个中心体逐渐分开,移向相对的两极(图1)。这种分开过程推测是由于两个中心体之间的星体丝(纺锤丝微管相互作用,更快地增长,结果把两个中心体(两对中心粒)推向两极,而于核膜破裂后终于形成两极之间的纺锤体
前中期自核膜破裂起到染色体排列在赤道面上为止。核膜的断片残留于细胞质中,与内质网不易区别,在纺锤体的周围有时可以看到它们。
前中期的主要过程是纺锤体的最终形成和染色体向赤道面的运动。纺
锤体有两种类型:一为有星纺锤体,即两极各有一个以一对中心粒为核心的星体,见于绝大多数动物细胞和某些低等植物细胞。一为无星纺锤体。两极无星体,见于高等植物细胞(图2)。曾经认为有星纺锤体含有三种纺锤丝,即三种微管。一种是星体微管,由星体散射出的微管;二是极微管,是由两极分别向相对一级方向伸展的微管,在赤道区来自两极的极微管互相重叠。认为极微管可能是由星体微管伸长形成的。三是着丝点微管,与着丝点联结的微管,亦称着丝点丝或牵引丝。着丝点是在染色体的着丝粒的两侧发育出的结构。有报告说着丝点有使微管蛋白聚合成微管的功能。无星纺锤体只有极微管与着丝点微管。
核膜破裂后染色体分散于细胞质中。每条染色体的两条染色单体其着丝点分别通过着丝点与两极相连。由于极微管和着丝微管之间的相互作用,染色体向赤道面运动。最后各种力达到平衡,染色体乃排列到赤道面上。
有丝分裂中期

有丝分裂中期

中期 (metaphase)
从染色体排列到赤道板上,到它们的染色单体开始分向两极之前,这段时间称为中期。有时把前中期也包括在中期之内。中期染色体在赤道面形成所谓赤道板。从一端观察可见这些染色体在赤道板呈放射状排列,这时它们不是静止不动的,而是处于不断摆动的状态。中期染色体浓缩变粗,显示出该物种所特有的数目和形态。因此有丝分裂中期适于做染色体的形态、结构和数目的研究,适于核型分析。中期时间较短。
后期 (anaphase)
有丝分裂后期

有丝分裂后期

每条染色体的两条姊妹染色单体分开并移向两极的时期。分开的染色体称为子染色体子染色体到达两极时后期结束。染色单体的分开常从着丝点处开始,然后两个染色单体的臂逐渐分开。当它们完全分开后就向相对的两极移动。这种移动的速度依细胞种类而异,大体上在0.2~5微米/分。平均速度约为为 1微米/分。同一细胞内的各条染色体都差不多以同样速度同步地移向两极。子染色体向两极的移动是靠纺锤体的活动实现的。
末期 (telophase)
子染色体到达两极开始至形成两个子细胞为止称为末期。此期的主要过程是子核的形成和细胞体的分裂。子核的形成大体上是经历一个与前期相反的过程。到达两极的子染色体首先解螺旋而轮廓消失,全部子染色体构成一个大染色质块,在其周围集合核膜成分,融合而形成子核的核膜,随着子细胞核的重新组成,核内出现核仁。核仁的形成与特定染色体上的核仁组织区的活动有关。 细胞体的分裂称胞质分裂。动物和某些低等植物细胞的胞质分裂是以缢束或起沟的方式完成的。缢束的动力一般推测是由于赤道板细胞质周边的微丝收缩的结果。微丝的紧缩使细胞在此区域产生缢束,缢束逐渐加深使细胞体最后一分为二。
高等植物细胞的胞质分裂是靠细胞板的形成。在末期,纺锤丝首先在靠近
有丝分裂末期

有丝分裂末期

两极处解体消失,但中间区的纺锤丝保留下来,并且微管增加数量,向周围扩展,形成桶状结构,称为成膜体。与形成成膜体的同时,来自内质网和高尔基器的一些小泡和颗粒成分被运输到赤道区,它们经过改组融合而参加细胞板的形成。细胞板逐渐扩展到原来的细胞壁乃把细胞质一分为二(右图)。细胞质中的有关细胞器,如线粒体叶绿体等不是均等分配,而是随机进入两个子细胞中。细胞板由两层薄膜组成,两层薄膜之间积累果胶质,发育成胞间层,两侧的薄膜积累纤维素,各自发育成子细胞的初生壁
【细胞有丝分裂记忆口诀
(一)有丝分裂
前期:膜仁消失现两体
中期:形定数晰赤道齐
后期:点裂体增均两极
末期:两消两现重开始
(二)分裂期口诀
前期:膜仁失,两体现;
中期:体列中,数清晰;
后期:点裂增,体均分;
末期:前期反,中现板(植物)。

细胞器

中心体——与纺锤体的形成有关;
线粒体—与提供能量有关 ;
高尔基体——与植物新形成的细胞壁有关
核糖体——与全过程需要的蛋白质合成有关,主要与间期进行的DNA复制需要的蛋白质有关

分裂机制

染色体的集缩 构成染色体的细线在分裂前期缩短变粗,染色体的这种集缩运动是通过染色线的螺旋化实现的。染色质浓缩过程和细胞质中的某些因素有关。如果用实验方法使分裂期细胞与间期细胞融合,可以观察到间期细胞染色质会提前集缩成染色体。这说明分裂期细胞的细胞质中有某种物质能促使染色体集缩。

纺锤体的形成

微管蛋白聚合成纺锤体微管的过程。微管蛋白的聚合有两种基本形式:一种是自我装配型,另一种是位点起始装配型,后者有特殊位点做为聚合的起始部位,前者没有这种特殊位点。形成纺锤体时的位点统称为“微管组织中心”(MTOC)。中心体着丝点都是MTOC,它们在离体情况下都能表现出使微管蛋白聚合成微管的能力。纺锤体的形成显然和这些MTOC的活动是分不开的。

中期染色体运动

有丝分裂后期

有丝分裂后期

用药物(秋水仙素、巯基乙醇等)破坏纺锤体,则染色体不能排列到赤道面,除去药物后,纺锤体重新形成,则染色体又能排列到赤道面,由此可见,染色体向赤道面的排列和纺锤体的活动有关。由辐射损伤或其他原因造成的没有着丝点的染色体断片不能排列到赤道面上。因此说明,染色体向赤道面的排列和着丝点的活动有关。用微束紫外线照射时二价体的一侧着丝点或着丝点丝,则染色体不能正好位于赤道面,而偏近于未受照射的着丝点所面向的一极。这说明染色体在赤道面的配位必须两个着丝点及与两极相连的两侧着丝点丝都正常地发挥作用。根据以上事实和其他观察,推测在前中期时两个着丝点分别以着丝点丝与两极相连,靠两极牵引力的平衡,使染色体位于赤道面上。除这种牵引平衡的力量外,还可能有其他一些因素起辅助作用。

染色体运动

后期时两组子染色体向两极移动,而在有些细胞两极也被推开更远。关于这种运动的机制尚无定论。后期时着丝点微管在向极的末端不断解聚,因而逐渐变短。这可能是使染色体被拉向两极的重要原因。 因为在体外实验中给模型细胞添加O以阻抑微管的解聚时,则染色体向两极移动过程停止,反之,如果添加少量秋水仙素以促使微管解聚速度加快,则染色体向两极移动速度也加快。有些细胞在分裂后期两极分开更远可能是由下述机制造成的:来自两极的极微管在赤道区互相重叠,微管蛋白在它们的自由末端聚合而使微管加长。这些重叠的来自两极的微管互相滑动,使两极推开更远。

比较

不同

动物细胞有丝分裂的过程,与植物细胞的基本相同,不同的特点是:
1.动物细胞有中心体,在细胞分裂的间期,中心体的两个中心粒各自经过中心粒复制新的中心粒,因而细胞中有两组中心粒。在细胞分裂的过程中,两组中心粒分别移向细胞的两极。在这两组中心粒的周围,发出无数条放射线,两组中心粒之间的星射线形成了纺锤体。
2.动物细胞在有丝分裂间期中心体复制,植物细胞中心体则没有复制。
3.植物细胞分裂末期,在赤道板部位出现细胞板,并由中央向周围扩展形成细胞壁。动物细胞分裂末期,赤道板处细胞膜向内凹陷,缢裂成两个细胞。
有丝分裂的重要意义,是将亲代细胞的染色体经过复制(实质为DNA的复制)以后,精确地平均分配到两个子细胞中去。由于染色体上有遗传物质DNA,因而在生物的亲代和子代之间保持了遗传性状的稳定性。可见,细胞的有丝分裂对于生物的遗传有重要意义。

相同

动物细胞有丝分裂的过程与植物细胞的分裂过程存在一个十分重要的相同点:
无论是动物细胞分裂过程还是植物细胞分裂过程都会有染色体的出现和纺锤体的形成。(植物:无星射线纺锤体;动物:星射线纺锤体)。染色体复制后平均分配。

意义

一、维持个体的正常生长和发育(组织及细胞间遗传组成的一致性);
二、保证物种的连续性和稳定性(单细胞生物及无性繁殖生物个体间及世代间的遗传组成的一致性)

实验步骤

实验目标

1、初步掌握制作根尖细胞有丝分裂装片的技术。
2、观察植物细胞有丝分裂的过程,识别分裂的不同时期。
3、初步掌握绘制生物图的方法。

实验原理

细胞的有丝分裂是一个连续动态的变化过程,但可以通过它的形态变化,特别是细胞核中的染色体行为,人为地划分阶段,并进行比较研究。在自然状态下,一大群处于各个分裂期的细胞混杂在一起。必须仔细观察,寻找有丝分裂过程各期典型形态特征的细胞,从而建立起细胞周期的概念。
植物的分生组织(如根尖分生区、茎尖生长点等)细胞,能够通过有丝分裂增加其数目。依据植物细胞分裂周期中各个时期细胞中染色质或染色体的形态、数目、位置变化,确定该细胞所处的时期。为了看清染色体或染色质,要用碱性染料将其染色。

实验材料

蚕豆、蒜和葱的根尖。

试剂仪器

洋葱鳞茎,镊子,刀片,培养皿,载玻片盖玻片,滴管,纱布,吸水纸酒精灯显微镜;固定液,15%盐酸,醋酸洋红染液,95%乙醇

方法步骤

1、洋葱根尖的培养
(1)培养洋葱生根时,避免用新采收的洋葱,因它尚在休眠不易生根。如果必须用当年刚采收的新洋葱培养生根,则应设法打破它的休眠。常用的方法是用低浓度的赤霉素溶液浸泡洋葱底盘,这样可以促使其生根。培养过程中,注意每天至少换水一次,以防烂根。
(2)对于头年收下的洋葱,可以采用如下方法促使它生根:
①选择底盘大的洋葱作生根材料。
②剥去外层老皮,用刀削去老根(从底盘中央向四周削),注意不要削掉四周的“根芽”。
③用烧杯装满清水,放上洋葱,放置在光照处。水要保持清洁,注意每天换水l~2次。一般2~3d即可获得实验所需材料(根长5cm)。
(3)固定时间取材。洋葱根尖细胞有丝分裂的时间是有规律的。通常在每天上午10时至下午2时分裂活跃,尤其以下午2时最活跃,可在这时取材。可以把培养好的洋葱根用卡洛氏固定液固定起来备用。因为培养一次洋葱根不容易。
2、解离。用刀片切下长约2~3mm的根尖,放入盛有15%盐酸和体积分数为95%的酒精溶液的混合液(1︰1)的培养皿中,解离3~5min,使根尖组织的细胞相互分开,待根尖透明酥软即停止解离。如果要使解离加快,可以把培养皿放在酒精灯上微微加热(不可煮沸)3~5 min。待根酥软后,用镊子取出。
解离充分是实验成功的必备条件;解离的目的是用药液溶解细胞间质,使组织细胞相互分离开。
3、漂洗。把取出的根尖放入清水漂洗约10min,也可以在培养皿口上蒙上—层纱布,用自来水细小的水流漂洗3~5min。
漂洗的目的是洗去根中多余的解离液。如果不把多余的解离液洗去,一方面会影响染色效果,因为解离液中含有HCl溶液,而用来染色的染料呈碱性;另一方面还会腐蚀显微镜的镜头。
4、染色。把漂洗好的根尖置于载玻片上,用镊子头截下长约3mm的根尖,其余部分丢弃,在根尖上滴一滴醋酸洋红染液染色3~5min,如果要使染色加快,可把载玻片在酒精灯的火焰上快速过几下(不可煮沸)。
5、装片。在染好色的材料上盖上盖玻片,上面再覆一片载玻片,用拇指轻轻压一下,使根尖组织成为均匀薄层的细胞层。
6、镜检
(1)低倍镜观察
把制成的洋葱根尖装片先放在低倍镜下观察,慢慢移动装片,找到分生区细胞,其特点是:细胞呈正方形,排列紧密,有的细胞正在分裂。
(2)高倍镜观察
找到分生区细胞后,把低倍镜移走,换上高倍镜,用细准焦螺旋和反光镜把视野调整清晰,直到看清细胞物像为止。
(3)仔细观察
仔细观察的目的是区分细胞分裂中各个时期内染色体变化的特点。可先找出处于细胞分裂中期的细胞,然后再找出前期、后期、末期的细胞,处于间期的细胞数目最多,最容易找到。
(4)在一个视野里,往往不容易找全有丝分裂过程中各个时期的细胞。如果是这样,可以慢慢地移动装片,从邻近的分生区细胞中寻找。
7、绘图。在仔细观察清楚有丝分裂各个时期的细胞的以后,绘出洋葱根尖细胞有丝分裂的简图。

注意事项

1、培养产生洋葱根尖的材料是洋葱鳞茎。鳞茎底部接触水,不能离开水,也不能被水淹。其目的是同时满足其对水和空气的需要。同时要经常换水,因为水中由于微生物的活动和根细胞的活动,代谢产物增多;此外,还由于根细胞的呼吸不断产生CO 2,使水中H 2CO 3增多,氧气缺少;微生物,如细菌的大量繁殖也使水质受到污染,这些都不利于根尖生长,所以要经常换水。—般一天至少一次,还要提供适宜的温度。
2、剪取洋葱根尖材料时,应该在洋葱一天之中分裂最活跃的时间,一般在上午11点左右。如果因气温影响或不在—上述时间做实验的话,可以在细胞有丝分裂最盛时取材,放人盛有固定液的培养皿中固定,即浸泡半天到一天。固定后用75%乙醇冲洗几次,再放入盛有70%乙醇的小广口瓶中保存。注意要等根尖长到l~5cm时才能切取,而切取的洋葱根尖长度是2~3mm。根据实验得知,根长到1~5cm时,根的长势最佳,此时细胞分裂最旺盛,容易找到不同时期的分裂图象。此时可取生长健壮的根进行观察,切取洋葱根尖2~3mm,这个长度要从根的顶端(根冠)开始算起,这个长度已将分生区包括了进来。若取材过长,在低倍镜下寻找分生区就会很困难。
3、根尖培养好以后,装片制作是否成功,关键的步骤是解离。15%的盐酸溶液能溶解细胞壁之间的中层物质(胞间质),使组织中的细胞相互分开。否则,在显微镜下观察时,细胞将发生重叠现象,导致实验失败。解离不充分,细胞重叠;解离过度,细胞会腐烂,所以解离要适度。为达到这一目的,配制的盐酸浓度要适宜,切取的根尖应立即放入15%的盐酸中,在室温下解离10~15min。解离时间要视室内温度而定,温度低,时间稍长,温度高,时间短。也可手拿镊子,轻轻按正在解离的根尖,感觉酥软即可。
4、漂洗的目的是洗去根中多余的解离液。如果不把多余的解离液洗去,一方面会影响染色效果,因为解离液中含HCl,而用染色的染料呈碱性;另一方面还会腐蚀显微镜的镜头。
5、染色时,染色液的浓度和染色时间必须掌握好。特别是染色不能过深,否则镜下一片紫色,无法观察。也不能过浅,否则染色质和染色体的形态和数目不易辨清。
6、制片时,一方面要用镊子把洋葱根尖弄碎,另一方面要压片,这样可以使细胞分散开来。压片时,在盖玻片上再加一片载玻片的目的,一是避免压碎和移动盖玻片。二是使压力大小适中,从而使组织细胞均匀分散。同时用力必须恰当,过重时会将组织压烂,过轻则细胞未分散开,二者都将影响观察。
7、结果与讨论
在显微镜的一个视野中看到的细胞,多数处于细胞有丝分裂的间期,因为在一个细胞周期中,间期所占的时间占整个细胞周期的90%一95%,时间与细胞数目成正比。另外,在一个视野中,往往不容易找全有丝分裂过程中各个时期的细胞,可以慢慢地移动装片,从邻近的分生区细胞中寻找。
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