Общая биология

Деление клеток. Митоз. Мейоз. Гаметогенез
Основные понятия:
жизненный цикл клетки, интерфаза, митоз, амитоз, прямое бинарное деление,
развитие половых клеток, гаметогенез, сперматогенез, овогенез
мейоз,
Период с момента возникновения клетки до следующего деления или гибели называется
жизненным циклом клетки. Часть жизненного цикла клетки от ее возникновения до начала
деления называется интерфазой.
Во время интерфазы происходит подготовка клетки к делению: удвоение ДНК,
синтезируются РНК и белки, увеличивается число митохондрий, пластид, рибосом и
поверхность шероховатой эндоплазматической сети. В этот период синтезируются белки
микротрубочек, из которых будет формироваться веретено деления во время митоза, запасается
энергия. На процесс репликации ДНК затрачивается энергия АТФ. Совокупность
последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению и в
период деления называется митотическим циклом (от названия основного типа деления митоза).
Деление клетки. После того как в клетке завершаются биохимические процессы
подготовки к делению, начинается таинственный и до конца не изученный процесс. В
настоящее время известно несколько способов деления клетки: митоз, прямое бинарное
деление, амитоз и мейоз. Деление клеток – основа процесса размножения.
Митоз – основной способ деления эукариотических клеток. В исходной материнской
клетке количество хромосом (n) и ДНК (с) = 2n2c, в интерфазе, после удвоения ДНК, набор =
2n4c. Различают четыре фазы митоза:
Фазы
митоза
Процессы, происходящие в клетке
Количество
хромосом (n) и
ДНК (с) в клетке
Хромосомы скручиваются, спирализуются, становятся
видимыми;
2n4c
две центриоли расходятся к полюсам клетки;
формируется веретено деления;
исчезает ядрышко, разрушается ядерная оболочка.
Метафаза Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид,
соединенных в центромерных участках;
2n4c
хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки;
нити веретена деления прикрепляются к каждой хромосоме в
области центромера.
Анафаза
Хроматиды, удвоенные в интерфазе, становятся
самостоятельными хромосомами и расходятся к полюсам
4n4c
клетки.
Телофаза Хромосомы, собравшиеся у полюсов клетки, раскручиваются,
деспирализуются;
2n2c
формируется ядерная мембрана, образуется ядро;
происходит деление цитоплазмы;
органоиды распределяются между двумя клетками;
две клетки отделяются друг от друга.
В результате митоза из одной клетки возникают две дочерние с тем же набором хромосом.
Профаза
Биологическое значение митоза заключается в следующем: при делении материнской
клетки происходит удвоение генетического материала и его распределение между дочерними
клетками. Благодаря равномерному разделению реплицированных хромосом между дочерними
клетками обеспечивается образование генетически равноценных клеток и сохраняется
1
преемственность в ряду клеточных поколений. Таким образом, из одной исходной
(материнской) клетки образуется две новые – дочерние клетки с диплоидным набором
хромосом 2n. Митоз поддерживает постоянное число хромосом в клетках следующего
поколения, дочерние клетки получают точно такую же генетическую информацию, которая
находилась в ядре материнской клетки. Это обеспечивает такие важные моменты
жизнедеятельности, как эмбриональное развитие и рост организмов, восстановление органов и
тканей после повреждения. Митотическое деление клеток является цитологической основой
бесполого размножения организмов.
Бактериальные клетки содержат только одну кольцевую молекулу ДНК, прикрепленную
к клеточной мембране. Перед делением клетки ДНК удваивается и образуются две идентичные
молекулы ДНК, каждая из которых также прикреплена к клеточной мембране. При делении
клетки мембрана врастает между двумя молекулами ДНК так, что в конечном итоге в каждой
дочерней клетке оказывается по одной идентичной молекуле ДНК. Такой процесс получил
название прямого бинарного деления.
Амитоз или прямое деление, — это деление интерфазного ядра путем перетяжки. При
амитозе веретено деления не образуется и хромосомы в световом микроскопе неразличимы.
Такое деление встречается у одноклеточных организмов (например, так делятся большие ядра
инфузорий), при различных патологических процессах, таких как злокачественный рост,
воспаление и т. п. Амитоз можно наблюдать в тканях растущего клубня картофеля, эндосперме
семян, стенках завязи пестика и паренхиме черешков листьев. У животных и человека такой
тип деления характерен для клеток печени, хрящей, роговицы глаза. Амитоз в отличие от
митоза является самым экономичным способом деления, так как энергетические затраты при
этом весьма незначительны.
Мейоз (греч. meiosis -— уменьшение) — это способ деления клеток, в результате
которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом вдвое и переход клеток из
диплоидного состояния (2л) в гаплоидное (п). Мейоз проходит два сменяющих друг друга
деления, каждое деление имеет фазы подобно митозу - это профаза, метафаза, анафаза,
телофаза. Перед первым делением – интерфаза: происходит репликация (удвоение) ДНК.
Фазы мейоза
Первое мейотическое деление – мейоз I
Фазы
Характеристика
Профаза I
Гомологичные хромосомы присоединяются друг к другу, переплетаются,
происходит перекрест хромосом – коньюгация.
Коньюгирующие хромосомы могут обмениваться участками - кроссинговер.
Формируется веретено деления.
Метафаза I
В плоскости экватора располагаются гомологичные хромосомы, состоящие из
двух хроматид. Нити веретена деления соединены с центромерами хромосом.
Анафаза I
Гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, перемещаются к
полюсам клетки
Телофаза I
Хромосомы деспирализуются, образуется ядерная оболочка, цитоплазма
делится.
Образуются две дочерние диплоидные клетки с набором хромосом 2n
Второе мейотическое деление – мейоз II
Фазы
Характеристика
Профаза II
Хромосомы укорачиваются и утолщаются, образуется веретено деления,
ядерная оболочка разрушается
Метафаза II Хромосомы располагаются по экватору, к центромерам прикрепляются
микротрубочки веретена деления
Анафаза II
Хроматиды расходятся к полюсам клетки, становятся самостоятельными
хромосомами
Телофаза II
Хромосомы деспирализуются, образуется ядерная оболочка, цитоплазма
2
делится.
Образуются гаплоидные клетки с набором хромосом - n.
Из одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидных
Биологическая сущность мейоза состоит
в формировании половых клеток с
уменьшенным, гаплоидным, набором хромосом. Редукционное деление является механизмом,
препятствующим непрерывному увеличению числа хромосом при слиянии гамет. Не будь
такого механизма, при половом размножении число хромосом удваивалось бы в каждом новом
поколении. Благодаря мейозу поддерживается определенное и постоянное число хромосом во
всех поколениях каждого вида растений, животных и грибов.
Другое важное значение мейоза заключается в обеспечении чрезвычайного разнообразия
генетического состава гамет в результате кроссинговера - возникают новые комбинации генов,
и различного сочетания отцовских и материнских хромосом при их расхождении в анафазе I.
Это обеспечивает появление разнообразного и разнокачественного потомства при половом
размножении организмов.
Сравнение митоза и мейоза
Сходство и различие
Сходство
Различие
Митоз
Мейоз
Имеют одинаковые фазы деления;
перед митозом и первым делением мейоза в подготовительный
период – интерфазу, происходит удвоение ДНК
Одно деление
Два деления, сменяющих друг
друга
В метафазе по экватору
В метафазе по экватору
выстраиваются удвоенные
выстраиваются гомологичные
хромосомы
хромосомы
Не происходит коньюгации
Происходит коньюгация
хромосом и кроссинговера
гомологичных хромосом и
кроссинговер
Не происходит рекомбинация
Происходит рекомбинация
генетического материала
генетического материала
Между делениями происходит
Между 1-м и 2-м делением нет
удвоение ДНК во время
интерфазы, не происходит
интерфазы
удвоения ДНК
Образуются 2 дочерние клетки с Образуются 4 сперматозоида (у
диплоидным набором хромосом мужских особей ) и 1
(2n)
яйцеклетка + 3 клетки –
направительные тельца (у
женских особей); набор
хромосом в половых клетках –
гаплоидный (n)
Мейоз лежит в основе гаметогенеза – процесса образования половых клеток (гамет) у
животных и спорогенеза – процесса образования спор у растений и грибов.
Сперматогенез – процесс образования мужских половых клеток (сперматозоидов).
Овогенез - процесс образования женских половых клеток (яйцеклеток). У мужских особей все 4
гаплоидные клетки превращаются в сперматозоиды, а у женских особей образуется одна
яйцеклетка – полноценная и жизнеспособная и три дочерние клетки превращаются в
направительные тельца. Овогенез начинается в эмбриональном периоде, после рождения
наступает перерыв, который заканчивается при половом созревании. Сперматогенез начинается
только при половом созревании и продолжается до конца жизни человека, в то время, как
овогенез заканчивается в определенном возрасте.
3
Фазы гаметогенеза
Фазы гаметогенеза
Размножение
Рост
Сперматогенез
Первичные половые клетки –
сперматогонии интенсивно
делятся путем митоза,
количество клеток
увеличивается
Размеры клеток
увеличиваются, формируются
сперматоциты I порядка
Созревание
Сперматоцит I порядка
вступает в мейотическое
деление, после первого
деления формируются
сперматоциты II порядка, а
после второго деления мейоза
образуются сперматиды
Формирование
Сперматиды превращаются в
сперматозоиды: приобретают
свойственные им морфологию
и подвижность
Овогенез
Первичные половые клетки –
овогонии интенсивно делятся
путем митоза, количество
клеток увеличивается
Размеры клеток
увеличиваются, в них
накапливаются желток, жир,
формируются овоциты I
порядка
Овоцит I порядка вступает в
мейотическое деление, после
первого деления
формируются крупная клетка
– овоцит II порядка и
маленькая клетка – первое
направительное тельце. В
результате второго деления
мейоза образуются одна
крупная клетка – овотида,
которая и формирует яйцо, и
три маленьких –
направительные тельца.
Если оплодотворения не
происходит, то овотида
погибает и выводится из
организма
Период формирования
практически отсутствует.
И так, краткая характеристика гаметогенеза:
1.
Стадии гаметогенеза
Характеристика
1 – период размножения
Первичные половые клетки имеют диплоидный набор хромосом
(2n);
делятся путем митоза;
♂ - сперматозоиды образуются практически всю жизнь;
♀ - яйцеклетки формируются в эмбриональный период, далее они
сохраняются в состоянии покоя
2 – период роста
Половые клетки не делятся, а только растут:
♂ - сперматозоиды растут незначительно;
♀ - яйцеклетки увеличиваются во много раз.
Набор хромосом = 2n
3 – период созревания
Каждая гамета делится на четыре новые клетки – мейоз.
Набор хромосом - n
4
2.
ПОЛОВАЯ ЖЕЛЕЗА
ГАМЕТОГЕНЕЗ: ОВОГЕНЕЗ И СПЕРМАТОГЕНЕЗ
Период размножения
Период роста
Период созревания
Деление первичных
Увеличение размеров
Каждая клетка делится
диплоидных (2n)
незначительное
у
мейоза,
→ сперматозоидов и во много → путем
клеток путем митоза
клетки гаплоидные (n)
раз яйцеклеток,
клетки диплоидные (2n)
Число и размер половых клеток у разных животных и растений различны, но
наблюдается следующая закономерность: чем меньше вероятность встречи яйцеклетки и
сперматозоида, тем больше число половых клеток образуется в организме.
Сравнительная характеристика половых клеток
Признаки
Морфологические
особенности
Место формирования
Различия в процессе
формирования
Женские половые клетки
(яйцеклетки)
Неподвижные, имеют
большие размеры, содержат
много питательных веществ –
желток и белки
Яичники – женские половые
железы
Из одной овогонии образуется
1 яйцеклетка + 3 клетки –
направительные тельца
Мужские половые клетки
(сперматозоиды)
Подвижные, имеют небольшие
размеры, как правило, состоят из
головки, шейки и хвоста; в головке
расположено ядро клетки, в шейке –
комплекс Гольджи, а у основания
хвоста сосредоточены митохондрии,
хвост образован микротрубочками
Семенники – мужские половые
железы
Из одной сперматогонии образуется
4 сперматозоида
5