Митоз и мейоз в жизни клетки
Период существования всего живого на Земле, в том числе и клеток, ограничен. Однако стремление к сохранению рода заложено в организмах от природы, что выражается в процессе размножения. В жизненном цикле клетки это явление проявляется в виде деления: митоза или мейоза.
Для понимания сущности указанных процессов необходимо выявить различия между двумя видами клеток – соматическими и половыми. Первые образуют ткани и органы, вторые необходимы для размножения. Неполовые клетки содержат диплоидный набор хромосом, половые, или гаметы, – гаплоидный.
Жизненный цикл клетки складывается из двух составляющих: интерфазы и деления. Первый этап характеризуется активным ростом, синтезом белка, увеличением числа органелл и цитоплазмы. В его составе выделяют три периода:
- пресинтетический;
- синтетический, на котором осуществляется репликация (удвоение) ДНК;
- постсинтетический.
С наступлением второго периода существование соматической клетки завершается с образованием двух новых с идентичным генетическим материалом. Процесс непрямого деления получил название митоза. Его продолжительность составляет около 1 часа.
Результат митоза — две абсолютно одинаковые клетки.
Мейоз – это способ двойного деления половых клеток с непродолжительной интерфазой. В результате образуется две пары гаплоидных клеток (гамет), содержащих одинарный набор хромосом. Мужские – это сперматозоиды, женские – яйцеклетки, у растений – споры. Их основное предназначение – передача наследственных характеристик родительских особей, поддержание биологического разнообразия и сохранение кариотипа и вида.
Такие процессы позволяют организму жить и развиваться, а тканям и органам – обновляться. Основные отличия заключаются в том, что митоз происходит на протяжении жизни организма во всех тканях и органах, в то время как мейоз характерен лишь для половых клеток.
| Митоз | Мейоз |
| непрямое деление | репродуктивное деление |
| создаются две диплоидные клетки | создаются четыре гаплоидные клетки |
| составляет основу бесплодного размножения организмов | составляет основу полового размножения организмов |
| одно деление | два деления |
| обеспечивается сохранение генетического кода | реализуется принцип изменчивости |
Что такой мейоз
А что же мейоз? И в чем различия митоза и мейоза? Итак, мейозом принято называть тип репродуктивного деления клетки, приводящий к образованию из одной клетки аж целых четырех. Но новообразованные клетки обладают лишь половинным гаплоидным набором хромосом. Что же это значит? А то, что, по мнению некоторых биологов, мейоз даже не является, строго говоря, размножением клетки, так как это способ образования гаплоидных клеток, то бишь спор (у растений) и гамет (у животных). Сами гаметы только после оплодотворения, которое и будет в нашем случае половым размножение, послужат образованию нового организма.
Суть мейоза на картинке.
Жизненный цикл клетки
В основе передачи наследственной информации, размножения, а также роста, развития и регенерации лежит важнейший процесс – деление клеток, которому мы посвятим два занятия.
Жизненный цикл клетки — период существования клетки от момента её образования в результате деления материнской клетки до её собственного деления или гибели.
Митотический цикл состоит из двух последовательных стадий.
Непосредственно перед делением клетка проходит интерфазу, или стадию покоя, функциональное значение которой в том, что во время неё синтезируется ДНК. Длительность стадии покоя составляет 90% и более в течение всего цикла клеточного деления.
Интерфаза — это период активной жизнедеятельности клетки, который условно можно разделить на три периода.
|
Период |
Характеристика |
|
Пресинтетический, или постмитотический |
Обозначается G1 или q1. Продолжительность этого периода 10 часов и более. Осуществляется сразу после деления клетки. Содержание генетического набора в клетке – 2n2c, диплоидный набор хромосом, каждая из которых имеет одну хроматиду. Здесь происходит восстановление структуры интерфазной клетки: окончательно формируется ядрышко; масса клетки увеличивается за счёт синтеза белка; происходит образование ферментов, участвующих в катализе реакции репликации; синтезируется белок; увеличивается количество различных видов рибонуклеиновой кислоты (РНК). Хромосомы представлены тонкими хроматиновыми нитями, каждая нить состоит из одной хромосомы. |
|
Синтетический |
Обозначается как S. Продолжительность 6 – 10 часов. В данном периоде происходит удвоение (репликация, дупликация) ДНК, хромосомы становятся двухроматидными. Это необходимо для последующего митотического деления клетки. Также, на этом этапе продолжается рост клетки, начавшийся в пресинтетичском периоде, синтезируется РНК, белки – гистоны, в последующем соединяющиеся с ДНК. Генетический материал – 2n4c. |
|
Пост синтетический или премитотический |
Обозначение: G2 (q2).Содержание генетической информации – 2n4c. В этом периоде осуществляется подготовка к митозу, продолжается он 2 – 5 часов. Происходит усиленное образование энергии АТФ; синтезируются белки, которые необходимы для обеспечения процесса деления и образования веретена деления; начинается спирализация хромосом; значительно увеличивается объём ядра, а, следовательно, и масса цитоплазмы. Далее клетка непосредственно переходит к стадии митоза. |
Репликация — это процесс удвоения молекул ДНК.
Репликация ДНК
Для бактерий и простейших деление клетки является основным способом размножения, поэтому практически все клетки не погибают после интерфазы, а делятся на две дочерние клетки, давая, таким образом, жизнь новым организмам.
Клетки многоклеточных организмов не обладают способностью к бесконечному делению.
ДНК клеток содержат специальные «гены гибели», которые в определённый момент активируются, вырабатывая в клетке особые белки, приводящие к её физиологической смерти.
Апоптоз — это генетически обусловленная гибель клеток.
Мейоз
Мейоз или редукционное деление клетки — способ деления клетки, при котором наследственный материал в них (число хромосом) уменьшается вдвое. Мейоз происходит в ходе образования половых клеток (гамет) у животных и спор у растений.
В результате мейоза из диплоидных клеток (2n) получаются гаплоидные (n). Мейоз состоит из двух последовательных делений, между которыми практически отсутствует пауза. Удвоение ДНК перед мейозом происходит в синтетическом периоде интерфазы (как и при митозе).
Как уже было сказано, мейоз состоит из двух делений: мейоза I (редукционного) и мейоза II (эквационного). Первое деление называют редукционным (лат. reductio — уменьшение), так как к его окончанию число хромосом уменьшается вдвое. Второе деление — эквационное (лат. aequatio — уравнивание) очень похоже на митоз.
Приступим к изучению первого деления мейоза. За основу возьмем клетку с двумя хромосомами и удвоенным (в синтетическом периоде интерфазы) количеством ДНК — 2n4c.
Профаза мейоза
Помимо типичных для профазы процессов (спирализация ДНК в хромосомы, разрушение ядерной оболочки, движение центриолей к полюсам клетки) в профазе мейоза I происходят два важнейших процесса: конъюгация и кроссинговер.
Конъюгация — сближение гомологичных хромосом друг с другом. Гомологичными хромосомами называются такие, которые соответствуют друг другу по размерам, форме и строению. В результате конъюгации образуются комплексы, состоящие из двух хромосом — биваленты (лат. bi — двойной и valens — сильный).
После конъюгации становится возможен следующий процесс — кроссинговер (от англ. crossing over — пересечение), в ходе которого происходит обмен участками между гомологичными хромосомами.
Кроссинговер является важнейшим процессом, в ходе которого возникают рекомбинации генов, что создает уникальный материал для эволюции, последующего естественного отбора. Кроссинговер приводит к генетическому разнообразию потомства.
Метафаза мейоза
Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент.
Анафаза мейоза
Нити веретена деления сокращаются, вследствие чего биваленты распадаются на отдельные хромосомы, которые и притягиваются к полюсам клетки. В результате у каждого полюса формируется гаплоидный набор будущей клетки — n2c, за счет чего мейоз I и называется редукционным делением.
Телофаза мейоза
Происходит цитокинез — деление цитоплазмы. Формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом. Очень короткая интерфаза после мейоза I сменяется новым делением — мейозом II.
Мейоз II весьма напоминает митоз по всем фазам, поэтому если вы что-то подзабыли: поищите в теме про митоз. Главное отличие мейоза II от мейоза I в том, что в анафазе мейоза II к полюсам клетки расходятся не хромосомы, а хроматиды (дочерние хромосомы).
В результате мейоза I и мейоза II мы получили из диплоидной клетки 2n4c гаплоидную клетку — nc. В этом и состоит сущность мейоза — образование гаплоидных (половых) клеток. Вспомнить набор хромосом и ДНК в различных фазах мейоза нам еще предстоит, когда будем изучать гаметогенез, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки — половые клетки (гаметы).
Вариант 1
А1. Клеточным циклом называется период от
1) синтеза ДНК до синтеза РНК
2) пресинтетической стадии до постсинтетической
3) возникновения клетки в результате деления до ее деления
4) синтетической стадии до пресинтетической стадии
А2. Рост и развитие клетки, выполнение клеткой своих функций в организме, удвоение хромосом происходит в период, называемый
1) интерфазой
2) мейозом
3) митозом
4) овогенезом
А3. Период интерфазы, во время которого происходит удвоение ДНК клетки
1) пресинтетический (G1)
2) синтетический (S)
3) постсинтетический (G2)
4) метафаза
А4. Репликация (редупликация), происходящая в S-стадии интерфазы
1) синтез белка на рибосомах
2) синтез иРНК на ДНК
3) процесс самоудвоения ДНК
4) синтез тРНК на ДНК
А5. В постсинтетическом периоде (G2) интерфазы клетка
1) синтезирует ДНК
2) спирализует хромосомы, растворяет ядерную мембрану
3) удваивает центриоли, накапливает АТФ, синтезирует белки
4) увеличивается в размерах, образует РНК и белки
А6. В процессе митоза из одной материнской клетки образуется
1) 8 дочерних клеток
2) 4 дочерние клетки
3) 1 дочерняя клетка
4) 2 дочерние клетки
А7. Очередность стадий в митозе
1) телофаза, профаза, анафаза, метафаза
2) профаза, анафаза, метафаза, телофаза
3) профаза, метафаза, анафаза, телофаза
4) метафаза, телофаза, профаза, анафаза
А8. Фазой митоза, в которой все хромосомы располагаются по экватору клетки является
1) профаза
2) метафаза
3) анафаза
4) телофаза
А9. В анафазе митоза происходит
1) расхождение хромосом к полюсам клетки
2) спирализация хромосом
3) расхождение хроматид к полюсам клетки
4) деспирализация хромосом
А10. Конъюгация хромосом происходит в
1) профазе митоза
2) профазе I мейоза
3) анафазе митоза
4) профазе II мейоза
А11. В завершении телофазы II хромосомный набор клетки становится
1) 2n4c
2) 2n2c
3) n2c
4) nc
А12. Процессом образования мужских половых клеток называется
1) партеногенез
2) сперматогенез
3) овогенез
4) амитоз
А13. Определите неверное высказывание.
1) в интерфазе митоза происходит удвоение количества ДНК в ядре
2) кроссинговер — это спаривание гомологичных хромосом
3) половые клетки образуются только в результате мейоза
4) в результате мейоза получаются 4 гаметы из 1 материнской клетки
В1. Овогенез подразделяется на три периода
1) рост
2) оплодотворение
3) развитие
4) размножение
5) формирование
6) созревание
В2. Выберите три правильных ответа.
Биологическое значение митоза заключается в
1) увеличении размеров клетки
2) обеспечении процессов роста, развития организмов
3) обеспечении процессов регенерации и бесполого размножения
4) изменчивости благодаря кроссинговеру
5) изменчивости благодаря случайному расхождению хромосом в анафазе I
6) распределении генетического материала между двумя дочерними клетками
В3. Выберите три правильных ответа.
В профазе первого деления мейоза происходят следующие процессы
1) удвоение ДНК
2) кроссинговер
3) расхождение хроматид к полюсам клетки
4) конъюгация
5) растворение ядерной мембраны
6) расхождение хромосом к полюсам клетки
Фазы мейоза
Мейотичекое деление включает два этапа, состоящие из четырех фаз каждое.
Первое деление
Включает профазу I, метафазу I, анафазу I и телофазу I.
Профаза I
На данном этапе образуются две клетки с половинным набором генетической информации. Профаза первого деления включает несколько стадий. Ей предшествует предмейотическая интерфаза, во время которой идет репликация ДНК.
Затем происходит конденсация, образование длинных тонких нитей с протеиновой осью во время лептотены. Данная нить прикрепляется к мембране ядра с помощью концевых расширений – прикрепительных дисков. Половинки удвоенных хромосом (хроматиды) еще не различимы. При исследовании имеют вид монолитных структур.
Далее наступает стадия зиготены. Гомологи сливаются с образованием бивалентов, число которых соответствует одинарному числу хромосом. Процесс конъюгации (соединения) осуществляется между парными, сходными в генетическом и морфологическом аспекте. Причем взаимодействие начинается с концов, распространяясь вдоль тел хромосом. Комплекс из гомологов, связанных белковым компонентом – бивалент или тетрада.
Спирализация происходит во время стадии толстых нитей – пахитены. Здесь уже удвоение ДНК выполнено полностью, начинается кроссинговер. Это обмен участками гомологов. В результате формируются сцепленные гены с новой генетической информацией. Параллельно протекает транскрипция. Плотные участки ДНК – хромомеры активируются, что приводит к изменению структуры хромосом по типу «ламповых щеток».
Гомологичные хромосомы конденсируются, укорачиваются, расходятся (исключая точки соединения хиазмы). Это стадия в биологии диплотена или диктиотена. Хромосомы на данном этапе богаты РНК, которая синтезируется на этих же участках. По свойствам последняя близка к информационной.
Наконец, биваленты расходятся к периферии ядра. Последние укорачиваются, теряют ядрышки, становятся компактными, не связанными с ядерной оболочкой. Это процесс носит название диакинеза (перехода к делению клетки).
Метафаза I
Далее биваленты перемещаются к центральной оси клетки. От каждой центромеры отходят веретена деления, каждая центромера равноудалена от обоих полюсов. Небольшие по амплитуде движения нитей удерживают их в данном положении.
Анафаза I
Хромосомы, построенные из двух хроматид, расходятся. Происходит перекомбинация с уменьшением генетического разнообразия (в связи с отсутствием в наборе генов, расположенных в локусах (участках) гомологов).
Телофаза I
Суть фазы состоит в расхождении хроматид с их центромерами к противоположным участкам клетки. В животной клетке происходит цитоплазматическое деление, в растительной – образование клеточной стенки.
Второе деление
После интерфазы первого деления клетка готова ко второму этапу.
Профаза II
Чем длиннее телофаза, тем короче длительность профазы. Хроматиды выстраиваются вдоль клетки, образуя своими осями прямой угол относительно нитей первого мейотического деления. В эту стадию они укорачиваются и утолщаются, ядрышки подвергаются распаду.
Телофаза II
Деспирализация, растяжение образованных хромосом, исчезновение веретена деления, удвоение центриолей. Гаплоидное ядро окружается ядерной мембраной. Формируются четыре новые клетки.
Фазы мейоза
И, разумеется, фазы мейоза отличаются от аналогичных, у митоза. Профаза в мейозе в разы длиннее, так как в ней происходит коньюгация – соединение гомологичных хромосом и обмен генетической информацией. В анафазе центромеры не делятся. Интерфаза очень короткая и ДНК в ней не синтезируется. Клетки, образованные в результате двух мейотических делений содержат одинарный набор хромосом. И только при слиянии двух клеток: материнской и отцовской, восстанавливается диплоидность. Также помимо всего прочего мейоз протекает в два этапа, известные как мейоз І и мейоз ІІ.
Опять-таки наглядное сравнение митоза и мейоза и их фаз вы можете увидеть на картинке.
Отличительные черты мейоза
Отличительной чертой мейоза является наличие двух процессов деления: редукционного и эквационного. Первое завершается образованием двух дочерних гаплоидных клеток с удвоенным набором хромосом. Равномерное распределение хроматид между четырьмя образующимися гаметами проходит в ходе второго деления. При этом не происходит репликации ДНК и удвоения хромосом.
При мейотическом делении формируются сперматозоиды или яйцеклетки.
Важнейшим процессом при мейотическом делении является кроссинговер – произвольный обмен участками гомологичных хромосом. Его основная задача – обеспечение наследственной изменчивости организмов и увеличение их адаптации в условиях окружающей среды. Благодаря рекомбинации генов появляется уникальное потомство, обладающее при этом чертами материнской и отцовской особей.
Нарушения в процессе мейоза возникают при получении гибридов. Причина этого в различиях между отцовскими и материнскими генами. Рожденное в данном случае потомство оказывается бесплодным.
Другой тип нарушений при мейозе – нерасхождение хромосом. В результате дочерние клетки становятся диплоидными. Следовательно, при их слиянии образуется тетраплоид – полиплоидная зигота.
Процесс мейоза имеет серьезное эволюционное значение:
- редукция хромосом позволяет сохранять видовые характеристики и передавать их следующим поколениям;
- рекомбинация генетического материала поддерживает разнообразие организмов и обеспечивает процесс естественного отбора.
Зная особенности рассмотренных механизмов, нетрудно определить их роль в биологии: сохранение видового разнообразия, продолжение рода, передачу наследственных признаков потомству и др.
