Что такое мейоз
Второй способ деления эукариотической клетки — мейоз. Это процесс деления клетки, во время которого получаются дочерние клетки — гаметы. У мужчин это сперматозоид, а у женщин яйцеклетка. Гаметы получают только половину генетической информации родительской клетки. Число хромосом уменьшается в два раза.
Затем гаметы могут объединяться, образуя новую клетку, сочетающую генетическую информацию обеих клеток-родителей — зиготу. Процесс слияния половых клеток называется оплодотворением. Если зигота совершит цепь митозов, сформируется новый организм.
Каждая гамета человека содержит 23 хромосомы — гаплоидный набор (n). Когда гаметы объединяются, получается зигота с 46 хромосомами — диплоидный набор (2n).
Во время мейоза одна клетка с 46 хромосомами делится дважды. Первое деление называется мейоз I, второе деление называется мейоз II. Интерфаза между двумя этапами деления мейоза настолько кратковременна, что практически незаметна, и в ней не происходит удвоение ДНК. В результате образуются четыре дочерние клетки, каждая с 23 хромосомами.
Мейоз I подразделяется на четыре фазы, аналогичные фазам митоза:
Мейоз II подразделяется на четыре такие же фазы:
Биологическое значение мейоза — образование гаплоидных клеток, отличающихся генетически друг от друга: половых клеток (гамет) у животных и спор у растений.
Что такое митоз
Первый способ деления соматической клетки — митоз. Материнская клетка разделяется на дочерние клетки, которые практически идентичны родительским с точки зрения генетической информации. Наследственная информация и количество хромосом у дочерних клеток такие же, как у родительской.
Митоз — это одна из фаз жизненного цикла клетки и механизм нормального роста тканей. Большую часть клеточного цикла занимает интерфаза, в течение которой протекает повседневная клеточная деятельность. Во время интерфазы происходит:
Во время интерфазы идёт активный синтез и накопление необходимых для деления клетки веществ. Интерфаза делится на три подфазы:
После стадии G2 клетка вступает в следующую фазу деления, а именно — сам митоз. Тут есть четыре подфазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.
В схемах деления гаплоидный набор хромосом обозначают буквой n, а набор молекул ДНК (то есть хроматид) — буквой с. Перед буквами указывают число гаплоидных наборов
Пример. В клетках человека гаплоидный набор составляют 23 хромосомы. Значит, запись 2n2с означает 46 хромосом и 46 хроматид, а 2n4с — 46 хромосом и 92 хроматиды.
Рассмотрим подробнее фазы митоза:
Многие клетки вступают в фазу G0 после митоза и находятся в ней всю жизнь до гибели. Обычно это высокоспециализированные клетки, которые не могут совмещать эффективное выполнение своих функций и размножение. Например, в фазе G0 находится большинство нейронов головного мозга.
Биологическое значение митоза — образование генетически одинаковых дочерних клеток с тем же набором хромосом, что был у материнской клетки. Сохраняется преемственность в ряду клеточных поколений.
Отличие митоза от мейоза
МОРФОЛОГИЯ МЕТАФАЗНЫХ ХРОМОСОМ
Хромосомылучше всего изучать во время метафазы митоза, т.к. в этой фазе они:
— располагаются в центре клетки, образуя метафазную пластинку;
— максимально конденсированы и легко различимы с использованием световой микроскопии;
— являются двухроматидными, а сестринские хроматиды соединены между собой в области центромеры, что позволяет различить их морфологию.
Морфологическими элементами метафазной хромосомы являются:
— 2 хроматиды;
— вторичная перетяжка;
— спутник (сателлит);
— ломкие (фрагильные) участки.
Хроматида представлена одной линейной молекулой ДНК, ассоциированной с гистоновыми и негистоновыми белками и максимально конденсированной. Метафазная хромосома состоит из двух сестринских хроматид, являющихся результатом репликации ДНК в фазе S и, таким образом, генетически идентичных. Хроматиды одной хромосомы соединены в области центромеры и остаются в таком состоянии до анафазы.
Центромера, или первичная перетяжка, представляет собой специфический участок хромосомы из ДНК и специальных центромерных белков (CENP-A,B,C,D,E). Центромерная ДНК состоит из высокоповторяющихся последовательностей (сателлитная ДНК), практически одинаковых для всех хромосом. Положение центромеры в хромосоме постоянно и специфично для каждой хромосомы/пары гомологичных хромосом. Центромера делит хромосому на два плеча: р (проксимальное) и q (дистальное).
По положению центромеры хромосомы делятся на:
— метацентрические — центромера расположена посередине и плечи равные;
— субметацентрические — центромера несколько смещена к одному из концов, а плечи имеют разную длину;
— акроцентрические — центромера значительно смещена к концу хромосомы, из-за чего одно плечо намного короче другого.
Центромеры выполняют следующие функции:
— созревание кинетохоров для прикрепления хромосом к нитям веретена деления;
— продольное расщепление и разделение сестринских хроматид с образованием из одной двухроматидной хромосомы двух однохроматидных хромосом;
— точное и равное распределение генетического материала во время митоза, точная передача генетической информации от клетки к клетке.
Теломерыпредставлены специфическими последовательностями ДНК на концах хромосом в комплексе со специальными белками. В состав теломерной ДНК входят: (а) тандемно и многократно повторяющиеся короткие последовательности (TTAGGG), одинаковые у всех хромосом, (b) специфические для каждой хромосомы последовательности ДНК.
Теломеры выполняют следующие функции:
— защищают концы хромосом от действия нуклеаз;
— предотвращают слипание концов хромосом;
— обеспечивают репликацию всей ДНК;
— предотвращают укорачивание хромосом благодаря активности теломеразы;
— контролируют процессы старения клеток и многоклеточного организма;
— регулируют фиксацию хроматина к ядерной мембране в интерфазе, обеспечивая тем самым нормальную архитектуру интерфазных хромосом;
— обеспечивают правильную конъюгацию гомологичных хромосом в мейозе.
Вторичные перетяжки(h) представляют собой деспирализованные и слабо окрашенные участки повторяющейся ДНК; в норме они могут быть как в проксимальных плечах (р) акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21, 22, так и в дистальных плечах хромосом 1, 9, 16, реже 4, 6, 10 и Y. Вторичные перетяжки акроцентрических хромосом образуют область ядрышкового организатора. Длина вторичной перетяжки может варьировать в пределах нормального индивидуального полиморфизма.
Сателлиты- это терминальные участки коротких плеч акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21, 22, отделенные вторичной перетяжкой и состоящие из конститутивного гетерохроматина; число и размеры сателлитов варьируют от индивида к индивиду.
Ломкие (фрагильные) участкипредставляют собой деконденсированные сегменты хромосом, отличающиеся повышенной чувствительностью к действию мутагенных факторов, под влиянием которых в них легко происходят разрывы и, в результате этого, хромосомные перестройки. Фрагильные участки:
— являются маркерами нормального индивидуального полиморфизма;
— ассоциированы с некоторыми моногенными синдромами (например, FRAXA и семейная умственная отсталость);
— могут участвовать в опухолевой прогрессии (путем инактивации генов-супрессоров).
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА.
Впервые хромосомы человека в делящихся клетках обнаружил немецкий ученый Флемминг при окрашивании клеток основными красителями в 1880 г. Он их описал как хроматиновые окрашивающиеся тела. Термин «хромосома» был предложен другим немецким ученым Вальдайгером в 1888 г. Было установлено, что при делении клетки возникают палочкообразные хроматиновые тела, которые потом расходятся при делении к разным полюсам клетки. При изучении морфологии хромосом были выявлены следующие особенности: хромосомы отличаются по размерам и по конфигурации, кроме того, в разные стадии деления хромосомы могут состоять из 1 или 2 хроматид.
У них выделяют короткое и длинное плечи, первичную перетяжку, внутри которой находится центромера, а внутри центромеры располагается кинетохорд (область, с помощью которой половинки хромосом (хроматиды) могут двигаться к разным полюсам клетки при участии особых моторных белков).
Морфологически выделяют три типа хромосом:
2) если короткие плечи составляют 20-45% длины хромосомы, то эти хромосомы называют субметацентрическими;
3)когда короткие плечи менее 25%, их называют акроцентрическими.
Некоторые ученые выделяют также телоцентрические хромосомы
Когда смотришь на хромосомы человека под микроскопом, то видно, что спутничные хромосомы зачастую обращены друг к другу. Оказалось, что в спутниках человеческих хромосом сосредоточены рибосомальные гены, здесь синтезируется рибосомальная РНК, и в этом месте образуется ядрышко ядра, отсюда выходят в цитоплазму рибосомы. Эти хромосомы сцеплены материалом ядрышка. Вот почему они так выглядят под микроскопом.
Анализ молекулярной структуры хромосом показал, что хромосомы состоят, в основном, из ДНК и особых сильноосновных белков — гистонов (ДНК и гистонов примерно поровну в ядре клетки). Кроме того, здесь присутствуют в небольшом количестве негистонные белки, РНК и, в малом количестве, липиды.
Упаковка продолжается, образуются петельные домены второго порядка, это огромные петли по 80000 нуклеотидов, и они включают в себя петли меньшего порядка, и, опять же, все это удерживается с помощью специальных негистоннных белков.
Нить из петельных доменов 1го порядка толщиной 300 нм, а нить из петельных доменов 2го порядка имеет толщину около 700 нм. И наконец, в хроматиде хромосомы внутри имеется стержень, состоящий из металлопротеина, и здесь формируются гигантские петли, свободные концы которых зафиксированы стержнем, эту структуру назвали ламповой щеткой. При репликации молекулы ДНК было установлено, что нуклеосомы могут распадаться на полунуклеосомы.
Когда образуется дочерняя нить ДНК, возможны следующие ситуации:
1) старая материнская нить имеет старые нуклеосомы, а новая образует новые нуклеосомы;
2) обе нити содержат и старые нуклеосомы, и новые нуклеосомы;
3) нуклеосомы распадаются на полунуклеосомы, и затем формируются гибридные хромосомы: кусочек старой – кусочек новой (большинство ученых полагает так, хотя есть случаи с полным разваливанием хромосом на составные части (гистоны), с последующей сборкой из старых и новых гистонов).
Молекула ДНК в ядре может находиться в двух состояниях: плотном компактизированном состоянии, и в этом случае гены в этой ДНК не функционируют, такие районы плотно окрашиваются основными красителями, их стали называть гетерохроматиновые районы. Различают 2 типа гетерохроматиновых районов:
1) факультативный гетерохроматин, т. е. эти районы могут быть гетерохроматиновыми или нет, функционировать или не функционировать. Например, этот участок функционирует в эмбрионе, но не функционирует у старых людей. Или же эти районы функционируют в клетках печени, но не функционируют в мышечных клетках. Те районы, что не работают, заблокированы;
2) конститутивный гетерохроматин. Например, Х-хромосома у женщин. У женщин 2 Х-хромосомы, и они обе функционируют только в первом триместре беременности у плода, как только пол определится в женскую сторону, одна из хромосом блокируется. Функционирующие участки максимально раскручены, деспирализованы, часто одноцепочечны, здесь происходит транскрипция, их называют эухроматиновми районами. Они очень слабо окрашиваются основными красителями.
Т. о. процессы спирализации и деспирализации происходят постоянно в ядерном аппарате клеток.
Выделяют 4 типа ДНК по степени спирализации:
Левоспиральность образуется в процессе транскрипции в тех местах, где правая спираль, и если в этом месте начинается закручивание в левую сторону, то нити разойдутся друг от друга, образуется участок одноцепочечной ДНК, и в этом месте начнется транскрипция, т. о. действует ДНК-гираза или топоизомераза, которая образует спиральность.
РЕПРОДУКТИВНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ.
В организме человека деление или пролиферация обеспечивает:
1) рост организма;
2) регенерацию (физиологическую и патологическую);
3) воспроизведение потомства;
Различают жизненный цикл клетки — этот весь период жизни клетки с момента возникновения до гибели. И второе, митотический цикл клетки — это цикл, связанный только с делением клетки. Все клетки разделяют на три популяции:
1) стабильная — клетки не способны к делению, наибольшая продолжительность жизни (нервные клетки, клетки сердца);
2) растущая — долгоживущие, но способные к делению (железы, печень);
а) стволовые, недифференцированные, они только делятся, находятся в митотическом цикле;
б) дифференцированные, короткоживущие, неспособные к делению (эритроциты)
Т. о. в жизненном цикле клеток стабильных популяций и дифференцированных клеток полностью отсутствует митотический цикл. В растущей популяции может присутствовать митоз.
Главная цель митоза или кариокинеза — это равное распределение генетического материала меду дочерними клетками. В митотическом цикле различают две стадии:
2) собственно митоз
Интерфаза подразделяется на три периода:
1) предсинтетический или G1 -период. Здесь активно синтезируется РНК, образуются структурные белки и белки — ферменты, накапливаются предшественники ДНК и энергетические молекулы АТФ.
2) синтетический или S-период. Здесь образуется дочерняя нить ДНК, происходит репликация, по существу, каждая хромосома становится двухроматидной, и формируется центромера — клеточный центр делится на две центриоли.
3) постсинтетический или G2-период. Здесь клетка накапливает белки, необходимые для деления (очень важный белок тубулин, он образует нити веретена деления, по которым, как по рельсам, хромосомы начнут отходить к разным полюсам), кроме этого, моторные белки, которые будут двигать хромосому (хинезин и динеин). Более того, накапливаются молекулы ГТФ (гуатинтрифосфат) и АТФ (аденозинтрифосфат), активно происходит синтез иРНК.
В собственно митозе различают 4 фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
1) Профаза. В профазе начинается процесс конденсации хромосом, под влиянием митотического сигнала особого белка Н1 гистон начинает сжимать нуклеосомы друг с другом, и происходит резкое укорочение хромосом в несколько тысяч раз, это в дальнейшем позволит свободно расходиться хромосомам, не переплетаясь друг с другом, кроме того, здесь исчезает ядрышко, начинает растворяться ядерная оболочка. Центриоли клеточного центра начинают движение к разным полюсам, при этом между ними формируется тубулиновый аппарат деления — особые нити в виде трубочек диаметром около 25 нм, пустых внутри, внутренний диаметр около 15 нм, в оболочке трубочки 13 протофиломентов. Один конец («+»-конец) постоянно присоединяет следующую молекулу тубулина, от другого конца («-»-конец) наоборот отщепляются молекулы тубулина. Весь этот процесс происходит при участи гуанозинтрифосфата (ГТФ) и ионов магния. При движении центросом к разным полюсам начинают формироваться дополнительные хромосомные нити. Хромосомные нити подходят к хромосоме, соединяются с кинетохором центромеры хромосомы, причем, с одного полюса к одной хроматиде, а с другого полюса — к другой хроматиде, и они начинают толкать хромосомы к центру клетки. И клетка вступает в метафазу
2) Метафаза. Хромосомы образуют экваториальную метафазную пластинку. На этой стадии особенно отчетливо видны хромосомы. Их зачастую изучают на этой стадии. Резко изменяется вязкость цитоплазмы, это, по мнению ученых, вызывает разделение центромер, и хроматиды хромосомы отходят друг от друга.
3) При этом к трубочкам присоединяются моторные белки гинеин и кинезин, они имеют головную и хвостовую части. В головной части содержится молекула АТФ. Эта часть соединяется с трубочкой, а хвостовая часть — с центромерой хроматиды, и хроматиды хромосом начинают движение к разным полюсам под влиянием моторных белков, сама трубочка начинает деполимеризоваться, укорачиваться. Эта стадия называется анафазой;
4) Когда хроматиды достигают противоположных полюсов, наступает стадия телофазы. При этом вокруг отошедших однохроматидных хромосом начинает формироваться ядерная оболочка, а между дочерними ядрами происходит образование перегородки. Если в животной клетке этот процесс происходит со сжиманием, приобретается гантелевидная форма, то в растительной клетке процесс начинается в центре и двигается к оболочке.
Т. о. в результате митоза образуются две генетически абсолютно одинаковые клетки.
Хромосомы в митотическом цикле могут быть однохроматидными и двухроматидными. Каждая хроматида — двуцепочечная молекула ДНК, обычно обозначают 2с.
Однохроматидные хромосомы в анафазе, телофазе и в G1 период. Двухроматидные в конце S-периода, профазе и метафазе. Обычно введены такие обозначения: 2с и 4с. Кроме того, введено обозначение 2n и n, все соматические клетки диплоидны.
