Мейоз. Профаза 1
Мейоз — один из типов клеточного деления, наряду с митозом. Мейоз включает два деления диплоидной клетки, результат которых — появление четырех гаплоидных половых клеток, у животных это гаметы, у растений и грибов споры. В любой гамете имеется половина первичного соматического набора хромосомы.
Иначе говоря, мейоз — это такое деление клетки, при котором происходит сокращение исходного количества хромосом вдвое: диплоидный набор (2n) превращается в гаплоидный (n).
Биологический смысл мейоза:
1) мейоз — залог постоянного образования половых клеток у животных, спор у грибов и растений;
2) в результате мейоза набор хромосом становится в два раза меньше, что способствует сохранению постоянства хромосомного набора в поколениях (диплоидный набор вновь восстанавливается после оплодотворения);
3) в процессе мейоза между гомологичными хромосомами происходит генетическая рекомбинация — кроссинговер, дающий новые «свежие» комбинации аллелей генов в половых клетках и новые комбинации признаков;
4) в мейозе идет независимое расхождение хромосом, в результате чего в половых клетках возникают новые сочетания хромосом, что также способствует появлению новых комбинаций признаков у отдельных особей.
Профаза 1 мейоза 1
Профаза мейоза 1 имеет пять последовательных стадий. Ниже мы рассмотрим подробности конъюгации и кроссинговера во всех пяти стадиях профазы мейоза 1: лептотене, зиготене, пахитене, диплотене и диакинезе.
1. Лептотена. Это так называемая стадия тонких нитей. Хромосомы тоненькие, удлиненные, «составлены» из двух сестринских хроматид, но они пока тесно сближены, отчего каждая хромосома кажется одиночной. Хромосомы конденсируются и видны в микроскоп. Они прикреплены концами к ядерной мембране. Итак, в ходе лептотены хромосомы «слипаются» в единое образование, становятся видимыми.
2. Зиготена. Гомологичные хромосомы объединяются. Вначале идет синапс — тесное сближение гомологов, это и обозначает переход от лептотены к зиготене. Концы хромосом-гомологов могут сближаться, а затем соединение от кончиков распространяется вдоль хромосом (впрочем, иногда бывает и наоборот). Образуется синаптонемальный комплекс.
1) Бивалент образуется при соединении двух гомологичных хромосом. Так как ДНК удваивалась в интерфазе, каждая из гомологичных хромосом будет состоять из пары хроматид.
2) Итак, бивалент — структура, содержащая четыре хроматиды, или (что аналогично) две гомологичные хромосомы. Используется и другое название — тетрада, при этом подчеркивается, что любая хромосома построена из пары сестринских хроматид.
3) Обратите внимание, что ниже на рисунках показан пример поведения в клетке лишь одной пары гомологичных хромосом (одного бивалента). Как вы понимаете, в разных клетках разное количество пар хромосом, значит, такие же процессы по аналогии будут идти с каждой парой хромосом.
4) На рисунке 1 две гомологичные хромосомы (бивалент) до сближения (очевидно, что состоят они из двух хроматид).
5) На рисунке 2 представлены биваленты при соединении двух гомологичных хромосом в профазе. Идет обмен участками хромосом. Проведем аналогию — на стадии зиготены хромосомы, как половые клетки при образовании зиготы в половом процессе, сближаются.
3. Пахитена. Стадия толстых нитей. Синапс завершен. Главное событие этой стадии — кроссинговер, или же перекрест между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом. Перекресты проявляются в виде хиазм. Для запоминания можно применить «правило двух П»: пахитена и перекрест начинаются с буквы П.
1) В чем смысл кроссинговера? Материнские и отцовские хромосомы, построенные из пары хроматид, обмениваются участками.
2) Кроссинговер дает новые сочетания аллелей генов в хромосомах гамет. Помните, что в ходе кроссинговера не возникают новые аллели генов, он создает только их новые комбинации. Новые аллели возникают как результат генных мутаций.
3) Итак, при кроссинговере появляются хромосомы с новыми сочетаниями аллелей и, как следствие, новыми сочетаниями признаков, которые несут эти аллели.
4) Однако если в гомологичных хромосомах присутствуют две идентичные аллели генов, обмен ими не приведет к изменению признаков. Например, если идет перекрест между гомологичными хромосомами, в каждой из которых два одинаковых аллеля цвета глаз, то нового сочетания аллелей не образуется. Если же в одной хромосоме аллель А (карие глаза), а в другой а (голубые глаза), то кроссинговер приведет к обмену аллелями и образованию новых сочетаний аллелей в хромосомах.
4. Диплотена. Хромосомы в биваленте отталкиваются, они связаны только в местах хиазм. Идет окончание синапса, разрушение синаптонемального комплекса. У женщин на стадии диплотены хромосомы могут находиться в течение 10–15 лет, так как у них исходные клетки, из которых сформируются яйцеклетки, ооциты 1 порядка, начинают формироваться еще в ходе эмбрионального развития.
1) Итак, объединение хромосом заканчивается, они снова разделяются, и мы видим «ди» — две хромосомы, причем каждая имеет в своем составе две хроматиды.
2) В профазе 1 мейоза в отличие от профазы митоза, многие петли хромосом еще не конденсированы, в них идет транскрипция. К примеру, в ооцитах идет активный синтез РНК, синтез белков для питания будущего зародыша. Хромосомы с отходящими от них неконденсированными петлями хроматина называют хромосомами типа ламповых щеток (встречаются также у амфибий и других организмов).
5. Диакинез. Заканчивается конденсация хромосом. Они утолщены, отделены от ядерной мембраны. Бивалент явно состоит их двух гомологичных хромосом. Каждая из них — из двух хроматид. Набор хромосом и количество ДНК — 2n4c.
Митоз и мейоз
Жизненный цикл клетки (клеточный цикл)
С момента появления клетки и до ее смерти в результате апоптоза (программируемой клеточной гибели) непрерывно продолжается жизненный цикл клетки.
Интенсивно образуются рибосомы, синтезируется АТФ и все виды РНК, ферменты, клетка растет.
Митоз является непрямым способом деления клетки, наиболее распространенным среди эукариотических организмов. По продолжительности занимает около 1 часа. К митозу клетка готовится в период интерфазы путем синтеза белков, АТФ и удвоения молекулы ДНК в синтетическом периоде.
Митоз состоит из 4 фаз, которые мы далее детально рассмотрим: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Напомню, что клетка вступает в митоз с уже удвоенным (в синтетическом периоде) количеством ДНК. Мы рассмотрим митоз на примере клетки с набором хромосом и ДНК 2n4c.
ДНК максимально спирализована в хромосомы, которые располагаются на экваторе клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой (кинетохором). Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом (если точнее, прикрепляются к кинетохору центромеры).
Попробуйте самостоятельно вспомнить фазы митоза и описать события, которые в них происходят. Особенное внимание уделите состоянию хромосом, подчеркните сколько в них содержится молекул ДНК (хроматид).
Мейоз
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).
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.
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.
Биваленты (комплексы из двух хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Формируется веретено деления, нити которого крепятся к центромере (кинетохору) каждой хромосомы, составляющей бивалент.
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).
Сейчас мы возьмем клетку, в которой 4 хромосомы. Попытайтесь самостоятельно описать фазы и этапы, через которые она пройдет в ходе мейоза. Проговорите и осмыслите набор хромосом в каждой фазе.
Бинарное деление надвое
При благоприятных условиях бактерии делятся каждые 20 минут. В случае, если условия не столь благоприятны, то больше времени уходит на рост и развитие, накопление питательных веществ. Интервалы между делениями становятся длиннее.
Амитоз встречается в раковых (опухолевых) клетках, воспалительно измененных, в старых клетках.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Размножение клеток: Мейоз
Мейоз
Определение понятия
Например, именно для этого используется процесс мейоза у мхов. Путём мейоза диплоидные формы мхов производят гаплоидные споры. Разумеется, споры не являются половыми клетками, но смысл мейоза даже у мхов остаётся стандартным: это двойное деление диплоидной клетки, приводящее к образованию четырёх гаплоидных клеток (только в данном случае спор, а не гамет). Споры не могут участвовать в оплодотворении, они должны вначале вырасти во взрослое растение (гаплоидное), которое и произведёт половые клетки (путём митоза, а не мейоза).
Так что у мхов половые клетки (гаметы) производятся гаплоидными взрослыми растениями из уже гаплоидных соматических клеток, поэтому у них сперматозоиды и яйцеклетки образуются в результате митоза, а не мейоза.
Как легче понять и запомнить формулы, обозначающие количественные показатели хромосомного набора на разных фазах мейоза?
Расшифровка формул хромосомного набора
Стадии профазы 1
Запоминалка для стадий профазы I мейоза:
«Лето знойное пышет двойной духотой».
Лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез.
1. Лептотена (тонкие нити). Хромосомы слабо конденсированы, поэтому они тонкие и плохо заметны. Они уже удвоенные после прошедшего в интерфазе синтетического периода, и каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Но эти сестринские хроматиды настолько сближены, что хромосомы имеют вид одиночных тонких нитей. Теломеры хромосом всё ещё прикреплены к ядерной мембране.
3. Пахитена (толстые пухлые нити). Процесс спирализации хромосом продолжается, причем в гомологичных хромосомах он происходит синхронно. Становится хорошо заметно, что хромосомы двухроматидные. Важнейшим событием пахитены является кроссинговер – обмен участками между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом. Кроссинговер приводит к первой во время мейоза рекомбинации генов.
4. Диплотена (двойные нити). Хромосомы в бивалентах перекручиваются и начинают отталкиваться друг от друга. Процесс отталкивания начинается в области центромеры и распространяется по всей длине бивалентов. Однако они все еще остаются связанными друг с другом в некоторых точках. Их называют хиазмы. Эти точки появляются в местах кроссинговера.
Видео: Мейоз поподробнее
Видео: Мейоз у растений и животных
Гаметогенез
Образование гамет происходит не совсем одинаково в женском и мужском организме.
testis.jpg
Рис. 1: Сперматогенез
Рис. 2. Сперматогенез.
Рис. Овогенез (оогенез).
Что такое мейоз? Биологическое значение процесса
Значение
Видео
Функция и цель мейоза
Мейоз необходим у многих животных, размножающихся половым путем, чтобы обеспечить такое же количество хромосом у потомства, как и у родителей. Акт оплодотворение включает в себя две клетки, сливающиеся вместе, чтобы стать новой зиготой. Если количество аллелей каждого гена не уменьшено до 1 в гаметах, которые производят зиготу, у потомства будет 4 копии каждого гена. У многих животных это привело бы ко многим дефектам развития. У других организмов полиплоидия распространена, и они могут существовать со многими копиями одного и того же гена. Однако если организм не могут выжить, если они полиплоидия, мейоз должен произойти до размножения. Мейоз происходит в двух разных отделах, с разными фазами в каждом.
Основные понятия
Для того чтобы понять, что такое мейоз, необходимо вспомнить определения некоторых понятий, чтобы не возвращаться к ним впоследствии.
Интерфаза
Как и в митозе, перед делением проходит подготовительная стадия – интерфаза. В ней запускаются важнейшие процессы для того, чтобы клетка могла начать клеточное деление. Клетка синтезирует органические вещества и молекулы АТФ, чтобы во время мейоза ей хватило энергии и строительного материала, удваивает некоторые органоиды и молекулы ДНК.
Вот что именно происходит во время интерфазы.
После того, как клетка совершит все ритуалы для подготовки, она может приступать к мейозу.
Если хотите лучше понять клеточную теорию и изучить не только мейоз для ЕГЭ по биологии, но и остальные темы, приходите учиться в MAXIMUM! Записывайтесь на консультацию — вы сможете пройти диагностику по выбранным предметам ЕГЭ, поставить цели и составить стратегию подготовки, чтобы получить на экзамене высокие баллы. Все это абсолютно бесплатно!
Первый этап
В мейоз вступают определённые соматические клетки после интерфазы. У каждой из них диплоидный набор хромосом. Присутствуют гомологичные пары хромосом, которые несут одинаковые гены, но в разных вариациях, например, кодирующие группы крови А и В. Каждая из гомологичных хромосом состоит из 2 хроматид, в которых гены представлены в одинаковых вариациях.
В результате мейоза образуются клетки с гаплоидным геномом. Каждая из них содержит по одной хроматиде из каждой тетрады и по одной вариации каждого гена. Производство гамет с разными генетическими признаками имеет значение для выживания популяции.
Профаза I
Первый этап самый сложный, поскольку отвечает за перераспределение генетического материала. У человека его продолжительность составляет 22,5 суток. В этой фазе происходит кроссинговер – спаренные хромосомы обмениваются короткими последовательностями ДНК, гомологичными участками. Эта фаза состоит из 5 этапов:
Метафаза I
В профазе к делению готовится генетический материал, в метафазе – другие клеточные структуры. Ядро лишено оболочки, биваленты располагаются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку. К каждой хромосоме прикреплено веретено деления.
Анафаза I
При участии веретена деления к полюсам клетки подтягивается по одной хромосоме из каждой тетрады. В клетке сформированы два гаплоидных генома – у каждого из двух полюсов. Но клетку продолжают считать диплоидной до разделения цитоплазмы.
Телофаза I
Цитоплазма клетки делится на 2 части. У растений — путём достраивания поперечной клеточной стенки, у животных цитоплазматическая мембрана инвагинируется и перешнуровывается. Формируются ядра. Образуется 2 клетки с неудвоенным набором хромосом, состоящих из 2 хроматид. Эти клетки имеют только по одной вариации каждого гена.
Фазы мейоза
Процесс деления клеток состоит из двух последовательных этапов. Они называются первое деление (мейоз I) и вторичное деление (мейоз II). Между этими этапами существует укороченная интерфаза, названная интеркинезом. Каждый этап деления состоит из 4 фаз. Для мейоза I это:
Мейоз II, в свою очередь, составляют соответственно профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза II. В ходе всех этих делений в клетках происходят серьезные изменения. Среди них следует отметить:
Каждый этап мейоза требует более детального рассмотрения.
Первое деление
В мейоз могут вступать только определенные соматические клеточки после завершения интерфазы. Профаза I является самым сложным процессом. Это связано с тем, что именно на этой стадии происходит распределение генетического материала. У человека профаза I длиться чуть более 22 дней и состоит из 5 стадий:
Если на этапе профаза I происходит подготовка к делению генетического материала, то во время метафазы I это делают остальные структуры клетки. Оболочка ядра растворена, биваленты находятся около полюсов, образуя тем самым метафазную пластину. Кроме этого к каждой хромосоме присоединяется веретено деления.
На стадии анафаза I веретено деления притягивает к полюсам по одной хромосоме из всех тетрад. В результате в клетке формируется 2 гаплоидных генома — по одному на полюс. Однако до завершения процесса деления цитоплазмы клетка продолжает оставаться диплоидной.
Телофаза I характеризуется делением цитоплазмы на две части. У растительных организмов этот процесс протекает благодаря достраиванию поперечной стенки в клетке. У представителей фауны мембрана цитоплазмы перешнуровывается. Также во время телофазы I происходит формирование ядер. В результате образуется две клеточки, в состав которых входит 2 хроматиды. При этом новообразованные клетки имеют только один вариант генов.
Второй этап
Второе деление начинается после непродолжительного интеркинеза — паузы. На этом этапе делиться начинают 2 клеточки, содержащие гаплоидные геномы. Для профазы II характерно разрушение мембран и ядер. Одновременно с этим наблюдаются следующие процессы:
Во время метафазы II хромосомы размещаются в определенном порядке в плоскости экватора. При этом метафазные пластины расположены перпендикулярно друг к другу. Веретено деления связывает хроматиды и центриоли.
На следующем этапе (анафаза II) к каждому полюсу смещается одна дочерняя хроматида из каждой хромосомы. В делящейся клеточке создается два редуцированных генетических набора. Так как цитоплазма еще не разделилась, клетку следует считать гаплоидной.
Этап телофаза II завершает деление клетки. Именно в этот момент происходит разделение цитоплазмы и формирование мембран ядер. Из двух гаплоидных клеток создается 4 гаметы с разными комбинациями генов. У мужчин во время гаметогенеза цитоплазма поровну распределяется между четырьмя сперматозоидами. У женщин основная часть цитоплазмы смещается в направлении яйцеклетки. В остальных клетках (полярные тельца) основную часть свободного пространства занимают ядра.
Разнообразие гамет
Гаметы, образованные в процессе мейоза, не гомологичны друг другу. Хромосомы расходятся в дочерние клетки независимо друг от друга, поэтому могут принести разнообразные аллели будущему потомству. Рассмотрим простейшую классическую задачу: определим типы гамет, образованные у родительского организма по двум простым признакам. Пусть у нас будет темноглазый и темноволосый родитель, гетерозиготный по этим признакам. Формула аллелей, характеризующая его, будет выглядеть как AaBb. Половые клетки будут иметь следующий вид: AB, Ab, aB, ab. То есть четыре типа. Естественно, количество аллелей в живом организме со множеством признаков будет многократно выше, значит и вариантов разнообразия гамет будет во много раз больше. Эти процессы усиливаются конъюгацией и кроссинговером, протекающими в процессе деления.
Существуют ошибки в репликации и расхождениях хромосом. Это приводит к образованию дефектных гамет. В норме такие клетки должны подвергнуться апоптозу (клеточной смерти), но иногда они сливаются с другой половой клеткой, образуя новый организм. Например, таким образом формируется болезнь Дауна у человека, связанная с одной дополнительной хромосомой.
Следует упомянуть, что образовавшиеся половые клетки в разных организмах претерпевают дальнейшее развитие. Например, у человека из одной родительской клетки образуются четыре равноценных сперматозоида – как в классическом мейозе, что такое яйцеклетка — выяснить несколько сложнее. Из четырех потенциально одинаковых клеток образуется одна яйцеклетка и три редукционных тельца.
викторина
1. Клетка переживает мейоз. Сестринские хроматиды выстроены на метафазной пластинке. Какая фаза мейоза это?A. Метафаза IB. Фаза IIC. Метафаза II
Ответ на вопрос № 1
С верно. Это метафаза II. В метафазе I гомологичные хромосомы выстроены на метафазной пластинке. Это чрезвычайно важное различие между ними. Метафаза II подобна митозу, а метафаза I приводит к уменьшению плоидности.
2. У взрослого организма 60 хромосом или 30 гомологичных хромосом. 30 по материнской линии, 30 по отцовской линии. Сколько хромосом в каждой клетке после митоза?A. 60 хромосом, 30 гомологов.B. 120 хромосом, 60 гомологов.C. 30 хромосом, без гомологов.
Ответ на вопрос № 2
верно. Митоз продуцирует одинаковое количество хромосом. По сути, митоз производит точный клон родительской клетки.
3. У взрослого организма 60 хромосом или 30 гомологичных пар хромосом. 30 по материнской линии, 30 по отцовской линии. Сколько хромосом в каждой клетке после мейоза?A. 30 хромосом, без гомологичных хромосом.B. 60 хромосом, 30 гомологичных хромосом.C. 120 хромосом, 60 гомологичных хромосом.
Ответ на вопрос № 3
верно. Мейоз уменьшает плоидность каждой клетки. Фактически это означает, что в каждой клетке будет сохраняться только одна копия каждой хромосомы, либо материнская, либо отцовская. Гомологичные копии каждой хромосомы отсортированы на метафазной пластинке в метафазе I. Каждая копия состоит из двух сестринских хроматид, которые разделены после метафазы II. Таким образом, финал гамета будет иметь 30 хромосом, ни одна из которых не будет иметь копию. Таким образом, когда две гаметы встречаются, они могут создать зиготу с 30 гомологичными парами хромосом, или всего 60.