Роль гомологичных хромосом при делении клеток через митоз и мейоз

Шаги

Метод 1 из 2:

Митоз

1. 1

   Давайте рассмотрим этапы митоза. С помощью митотического деления происходит регенерация и рост организма. Непосредственно перед митозом происходит репликация (удвоение) ДНК, после чего клетки начинают делиться. В этом процессе можно четко выделить несколько фаз:
   X
   Источник информации

   • Во-первых, происходит укорачивание и утолщение (конденсация) цепей ДНК, в результате чего цепи ДНК превращаются в хромосомы. Хромосомы выравниваются.
   • Затем дочерние хромосомы разъединяются и начинают перемещаться к разным полюсам клетки.
   • В конце деления клетка разделяется мембраной на две новые клетки.

2. 2

   Подсчитаем количество делений. В процессе митоза деление происходит только один раз. Клетки, образовавшиеся после деления, называются дочерними. В нашем организме большинство клеток делится именно таким образом, расщепляясь на две новые клетки.
   X
   Источник информации

   • Подсчитайте количество получившихся (дочерних) клеток. В процессе митоза из одной клетки вы получите только две клетки.
   • После деления на две дочерние клетки материнская клетка исчезает.

3. 3

   В дочерней клетке должен быть полный набор хромосом (столько же хромосом, сколько было у материнской). Если количество хромосом меньше, значит, деление еще не закончилось, или клетка повреждена. У всех соматических клеток одинаковый набор хромосом.
   X
   Надежный источник

   Nature

Метод 2 из 2:

Мейоз

1. 1

   Рассмотрим порядок получения гамет в ходе мейоза. Итак, с помощью мейотического деления организм может размножаться. В ходе мейоза получаются гаметы – половые клетки. В этих клетках набор хромосом вдвое меньше, чем в соматических клетках (гаплоидный).
   X
   Источник информации

   • Таким образом, в яйцеклетках и сперматозоидах, которые образовались в ходе мейоза, гаплоидный (половинчатый) набор хромосом.
   • Пыльца тоже относится к гаметам, так как служит средством размножения для растений. Как и человеческие половые клетки, пыльца содержит гаплоидный (половинчатый) набор хромосом. Другие клетки растения, которое развилось из этой пыльцы, тоже содержат половинчатый набор хромосом.

2. 2

   Имейте в виду, что в ходе мейоза происходит кроссинговер. Этот процесс заключается в том, что две пары хромосом обмениваются своими участками ДНК. Кроссинговер является частью мейоза, но не встречается при митозе. Это одно из главных отличий мейоза и митоза.
   X
   Источник информации

   Кроссинговер представляет собой процесс, при котором две хромосомы сближаются, после чего происходит обмен участками хромосом и генетической информацией. Когда клетка разделится на дочерние клетки, в двух клетках из четырех будет смешанная генетическая информация.

3. 3

   Подсчитайте количество делений в мейозе. В мейозе число делений в два раза больше, чем в митозе. Это главное отличие имеет большое значение для производства гамет. Большое число делений объясняется тем, что гаметы должны содержать половинчатый набор хромосом (то есть в два раза меньше хромосом, чем в обычных клетках). Поэтому каждая фаза митоза встречается в мейозе два раза:
   X
   Источник информации

   • Перед началом деления происходит репликация (удвоение) ДНК, как при митозе.
   • Затем одна клетка делится на две дочерние клетки с одинаковым набором хромосом, как при митозе.
   • Затем каждая из дочерних клеток делится еще на две клетки. Как раз именно это деление отсутствует в процессе митоза. Число делений поможет вам отличить митоз от мейоза.

4. 4

   Подсчитайте количество дочерних клеток. В ходе мейоза получается 4 дочерние клетки. Процесс мейоза необходим для производства половых клеток с гаплоидным набором хромосом (то есть набор хромосом в два раза меньше, чем в материнской клетке). Без мейотического деления половое размножение было бы невозможным.
   X
   Надежный источник

   Nature

Дочерние клетки в митозе

Митоз — это этап клеточного цикла, который включает деление клеточного ядра и разделение хромосом. Процесс деления завершается цитокинезом, когда цитоплазма разделяется и образуются две разные дочерние клетки. До митоза клетка готовится к делению, реплицируя ДНК, увеличивает массу и количество органелл. Митоз включает несколько фаз: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. На этих фазах хромосомы отделяются, перемещаются в противоположные полюсы клетки и включаются во вновь образованные ядра. В конце процесса деления, дублированные хромосомы разделяются поровну между двумя клетками. Эти дочерние клетки являются генетически идентичными диплоидными клетками, которые имеют одинаковое количество и тип хромосом.

Соматические клетки являются примерами клеток, делящихся посредством митоза. К ним относятся все типы клеток организма, за исключением половых клеток.

Раковые клетки, делящиеся через митоз, способны продуцировать три или более дочерних клетки. Эти клетки имеют либо слишком много, либо недостаточно хромосом из-за нерегулярного деления.

Строение прокариотической клетки

Прокариоты являются организмами, состоящими из одной клетки, в которой нету ядра. К таким относятся только бактерии. Большинство из них имеют одинарный набор хромосом.

Структура их клетки отличается от эукариотической тем, что в ней отсутствуют некоторые органоиды. К примеру, в них нет митохондрий, лизосом, комплекса Гольджи, вакуолей, эндоплазматической сети. Однако, как и эукариотическая, гаплоидная клетка прокариотов обладает плазматической мембраной, состоящей из белков и фосфолипидов; рибосомами, которые участвуют в выработке белков; клеточной стенкой, которая в большинстве случаев построена из муреина. Также в строении такой клетки может присутствовать капсула, в состав которой входят такие вещества, как белки и глюкоза. Их хромосомы свободно плавают в цитоплазме, не защищены ядром или какой-либо другой структурой. Чаще всего наследственный материал бактерий представлен лишь одной хромосомой, на которой записана информация о белках, которые должны продуцироваться клеткой. Способ размножения таких организмов — простое деление гаплоидных клеток. Это позволяет им в кратчайшие сроки заметно увеличить свою численность.

Мейоз I

Профаза I

Обычно это самая длинная и сложная фаза мейоза. Протекает намного дольше, чем при митозе. Связано это с тем, что в это время гомологичные хромосомы сближаются и обмениваются участками ДНК (происходят конъюгация и кроссинговер).

Конъюгация — процесс сцепления гомологичных хромосом. Кроссинговер — обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами. Несестринские хроматиды гомологичных хромосом могут обменяться равнозначными участками. В местах, где происходит такой обмен формируется так называемая хиазма.

Спаренные гомологичные хромосомы называются бивалентами, или тетрадами. Связь сохраняется до анафазы I и обеспечивается центромерами между сестринскими хроматидами и хиазмами между несестринскими.

В профазе происходит спирализация хромосом, так что к концу фазы хромосомы приобретают характерную для них форму и размеры.

На более поздних этапах профазы I ядерная оболочка распадается на везикулы, ядрышки исчезают. Начинает формироваться мейотическое веретено деления. Образуются три вида микротрубочек веретена. Одни прикрепляются к кинетохорам, другие — к трубочкам, нарастающим с противоположного полюса (конструкция выполняет функцию распорок). Третьи формируют звезчатую структуру и прикрепляются к мембранному скелету, выполняя функцию опоры.

Центросомы с центриолями расходятся к полюсам. Микротрубочки внедряются в область бывшего ядра, прикрепляются к кинетохорам, находящимся в области центромер хромосом. При этом кинетохоры сестринских хроматид сливаются и действуют единым целым, что позволяет хроматидам одной хромосомы не разъединяться и в дальнейшем вместе отойти к одному из полюсов клетки.

Метафаза I

Окончательно формируется веретено деления. Пары гомологичных хромосом располагаются в плоскости экватора. Они выстраиваются друг против друга по экватору клетки так, что экваториальная плоскость оказывается между парами гомологичных хромосом.

Анафаза I

Гомологичные хромосомы разъединяются и расходятся к разным полюсам клетки. Из-за произошедшего в профазу кроссинговера их хроматиды уже не идентичны друг другу.

Телофаза I

Восстанавливаются ядра. Хромосомы деспирализуются в тонкий хроматин. Клетка делится надвое. У животных впячиванием мембраны. У растений образуется клеточная стенка.

Что происходит в результате мейоза

С помощью этого процесса происходит:

1. Появление гамет ( или половых клеток), или гаметогенез.
2. Образование спор у растения.
3. Конъюгация (половой процесс) у инфузории. Две инфузории сближаются и осуществляют обмен генетической информации. Между ними в ходе этого процесса образуется небольшой мостик из цитоплазмы, соединяющий двух одноклеточных. Из диплоидного ядра инфузории путем мейоза возникают четыре гаплоидных ядра, одно из них остается и делится митозом, а затем инфузории обмениваются получившимися ядрами.
4. Происходит изменение наследуемой генетической информации (наследственная изменчивость)

Биологическая роль мейоза

По сути мейоз – способ деления клетки, благодаря которому, из одной клетки с двойным набором хромосом образуют целых четыре клетки с гаплоидным набором. Еще в чем заключена сущность мейоза, так это в том, что этот механизм препятствуют непременному увеличению хромосом в клетке при слиянии гамет. Если бы мейотического деления не существовало и половые клетки имели как и все прочие клетки тела двойной хромосомный набор, и при половом размножении количество хромосом удваивалось в каждом поколении.

В чем заключается сущность мейоза, так это в том, что благодаря ему у гамет появляется большое разнообразие генетического состава. Достигается оно в процессе кроссинговера (обмена участками хромосом), так и в результате случайного сочетания хромосом матери и отца при их разном независимом расхождении к полюсам в анафазе I. Можно подвести итог и сказать, что значение мейоза сводится к появлению разного потомства с разнообразными качествами и признаками при половом размножении. Существование этого процесса обуславливает существование полового размножения, которое в эволюционном плане является более перспективным, чем бесполое. Благодаря половому размножению могут появляться новые признаки у видов, новые виды растений и животных.

Митоз и мейоз в эволюции

Обычно мутации в ДНК соматических клеток, которые подвергаются митозу, не передаются потомству и поэтому не применимы к естественному отбору и не способствуют эволюции вида. Однако ошибки в мейозе и случайное смешивание генов и хромосом в течение всего процесса, действительно способствуют генетическому разнообразию и приводит к эволюции. Пересечение создает новую комбинацию генов, которые могут кодировать благоприятную адаптацию.

Кроме того, независимый ассортимент хромосом во время метафазы I также приводит к генетическому разнообразию. Гомологичные пары хромосом выстраиваются в линию на этом этапе, поэтому смешивание и сопоставление признаков имеет много вариантов, что способствует разнообразию. Наконец, случайное оплодотворение также может увеличить генетическое разнообразие. Поскольку в конце мейоза II образовывается четыре генетически разных гамета, которые фактически используются во время оплодотворения. По мере того, как имеющиеся признаки смешиваются и передаются, естественный отбор воздействует на них и выбирает наиболее благоприятные адаптации в качестве предпочтительных фенотипов индивидуумов.

Интерфаза

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 представлена тремя периодами:

1. 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. 
2. 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. 
3. Постсинтетический или премитотический период. 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. 

Этапы митоза и мейоза

Существует четыре (некоторые источники выделяют пять) фаз митоза и в общей сложности восемь фаз мейоза (или четыре, повторяющихся дважды). Поскольку мейоз проходит через два этапа, он делится на мейоз I и мейоз II. На каждой стадии митоза и мейоза происходит много изменений в клетке, но у них очень похожие, если не идентичные, важные события на каждой из фаз. Довольно легко осуществить сравнение митоза и мейоза, если учитывать эти наиболее важные изменения.

Профаза

Первый этап называется профазой в митозе и профазой I в мейозе I (или профаза II мейозе II). Во время профазы ядро ​​готовится к делению. Это означает, что ядерная оболочка разрушается и начинают конденсироваться хромосомы. Кроме того, веретено деления формируется в центриоле клетки, что помогает с разделением хромосом на более поздних стадиях. Это все, что происходит в митотической профазе, профазе I и обычно в профазе II. Как правило, в начале профазы II ядерная оболочка отсутствует, а хромосомы уже конденсированы из профазы I.

Существует несколько различий между митотической профазой и профазой I. Во время профазы I гомологичные хромосомы объединяются. Каждая хромосома имеет соответствующую хромосому, которая несет одни и те же гены, а также обычно имеет одинаковый размер и форму. Эти пары называются гомологичными парами хромосом. Во время профазы I, гомологичные хромосомы соединяются и иногда переплетаются.

Процесс, называемый пересечением, может происходить во время профазы I. Это происходит, когда гомологичные хромосомы перекрываются и обмениваются генетическим материалом. Фактические части одной из сестринских хроматид ломаются и снова присоединяются к другому гомологу. Цель пересечения заключается в дальнейшем увеличении генетического разнообразия, поскольку аллели для этих генов теперь находятся на разных хромосомах и могут быть помещены в разные гаметы в конце мейоза II.

Метафаза

В метафазе хромосомы собираются выстраиваться на экваторе или в середине клетки, а вновь сформированное веретено деление прикрепляется к этим хромосомам, чтобы подготовиться к их разделению. В митотической метафазе и метафазе II веретено крепится к каждой стороне центромеров, которые вместе держат сестринские хроматиды. Однако в метафазе I веретено присоединяется к различным гомологичным хромосомам в центромере. Поэтому в митотической метафазе и метафазе II волокна веретена деления с каждой стороны клетки связаны с одной и той же хромосомой.

Анафаза

Анафаза — это этап, на котором происходит физическое расщепление. В митотической анафазе и анафазе II сестринские хроматиды раздвигаются и перемещаются в противоположные стороны клетки путем укорачивания веретена деления. Поскольку микротрубочки веретена во время метафазы прикрепленны к кинетохорам в центромере по обе стороны от одной и той же хромосомы, они разрывает хромосому на две отдельные хроматиды.

Митотическая анафаза отделяет одинаковые сестринские хроматиды, поэтому идентичная генетика будет в каждой клетке. В анафазе I сестринские хроматиды, не идентичны, так как подверглись переходу во время профазы I. В анафазе I сестринские хроматиды остаются вместе, но гомологичные пары хромосом раздвигаются и переносятся на противоположные полюса клетки.

Телофаза

Заключительный этап клеточного цикла называется телофазой. В митотической телофазе и телофазе II большая часть того, что было сделано во время профазы, будет отменено. Веретено деление разрушается и исчезает, образовывается ядерная оболочка, хромосомы распутываться, а клетка готовится к разделению во время цитокинеза.

В этот момент митотическая телофаза переходит в цитокинез, результатом которого будут две идентичные диплоидные клетки. Телофаза II уже прошла одно деление в конце мейоза I, поэтому она войдет в цитокинез, чтобы сделать в общей сложности четыре гаплоидных клетки. В телофазе I подобные события наблюдаться в зависимости от типа клетки. Веретено разрушается, но новая ядерная оболочка не формируется,  а хромосомы могут оставаться плотно спутанными. Кроме того, некоторые клетки переходят сразу в профазу II вместо разделения на две клетки посредством цитокинеза.

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

В основе любого вида размножения лежит деление клеток. Продолжительность жизни многоклеточного организма превышает время жизни большинства составляющих его клеток. Все клетки многоклеточных организмов должны делиться, чтобы заменять погибающие клетки. Все новые клетки возникают путём деления из уже существующих клеток.

Митоз – основной способ деления клеток.Митоз (от греческого mitos – нить) – непрямое деление клетки. Он обеспечивает равномерную передачу наследственной информации материнской клетки двум дочерним. Именно благодаря этому виду клеточного деления образуются практически все клетки многоклеточного организма.

Митотический (клеточный) цикл состоит из подготовительной стадии интерфазы и собственно деления – митоза(фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза).

Характеристика митоза

Интерфаза – процесс подготовки клетки к делению,  имеет 3 периода.

Пресинтетический период, период до удвоения хромосом, (G1 от англ. Gar – интервал), 2n2с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Клетка интенсивно растёт, в ней синтезируется РНК и различные белки, увеличивается число рибосом, митохондрий.

Синтетический период, период удвоения хромосом, (S – фаза), 2n4с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Происходит удвоение хромосом, в основе которого лежит процесс репликации ДНК, в результате каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Постсинтетический период, период после удвоения хромосом, (G2), 2n4с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Клетка готовится к делению, синтезируются белки, из которых будет сформировано веретено деления, запасается энергия в виде АТФ.

Профаза (2n4с). В результате спирализации хромосомы уплотняются, укорачиваются. Формируется веретено деления, ядерная оболочка исчезает, и хромосомы свободно располагаются в цитоплазме. К центромерам присоединяются нити веретена деления.

Хромосомы начинают передвигаться к экватору клетки. Метафаза (2n4с). Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора, образуя так называемую метафазную пластинку.

Анафаза (4n4с). Начинается с деления центромер всех хромосом, в результате чего хроматиды превращаются в две совершенно обособленные, самостоятельные дочерние хромосомы. Затем дочерние хромосомы начинают расходиться к полюсам клетки.

Телофаза (2n2с). Хромосомы концентрируются на полюсах клетки и деспирализуются. Веретено деления разрушается. Вокруг хромосом формируется оболочка ядер дочерних клеток, затем происходит деление цитоплазмы клетки.

Цитокинез -– деление цитоплазмы. Кариокинез – деление ядра.

Биологическое значение митоза

Митоз обеспечивает постоянство числа хромосом во всех клетках организма. В процессе митоза происходит распределение ДНК хромосом материнской клетки строго поровну между возникающими из неё двумя дочерними клетками.

Мейоз

Два последовательно сменяющих друг друга деления. Между двумя делениями – короткая интерфаза, во время которой не происходит удвоения ДНК. В результате мейоза из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные. Образуются четыре гаплоидные клетки.

Биологическое значение мейоза

Является механизмом образования гамет животных и спор высших растений. Обеспечивает постоянство кариотипа и вида при половом размножении. Обеспечивает генетическое разнообразие.

Оплодотворение –  процесс слияния яйцеклетки и сперматозоида. Процесс оплодотворения состоит из нескольких этапов:

1.                 Проникновение сперматозоида в яйцеклетку.

2.                 Слияние гаплоидных ядер обеих гамет, в результате чего образуется зигота (диплоидная клетка).

3.                 Активация зиготы к дроблению и дальнейшему развитию.

Жизненный цикл клетки

Промежуток времени от момента возникновения клетки в результате деления до её гибели или до следующего деления представляет собой жизненный цикл клетки. В это время клетка растёт, специализируется и выполняет свои функции в составе ткани и органов.

Хромосомы

Хромосомы расположены в ядре клетки. Они существуют большую часть времени как одноцепочечные структуры, которые образованы из конденсированного хроматина. Хроматин состоит из комплексов небольших белков, известных как гистоны и ДНК. Перед делением клеток одноцепочечные хромосомы реплицируются с образованием двухцепочечных, X-образных структур, известных как сестринские хроматиды. При подготовке к делению клеток хроматиновые деконденсации образуют менее компактный эухроматин. Эта менее компактная форма позволяет ДНК раскручиваться, что может привести к репликация ДНК. Когда клетка прогрессирует через клеточный цикл от интерфазы до митоза или мейоза, хроматин снова становится плотно упакованным гетерохроматином.

Реплицированные гетерохроматиновые волокна конденсируются с образованием сестринских хроматид. Сестринские хроматиды остаются прикрепленными до анафазы митоза или анафазы II мейоза. Разделение сестринских хроматид гарантирует, что каждая дочерняя клетка получит соответствующее количество хромосом после деления.

У людей каждая митотическая дочерняя клетка является диплоидной и содержит 46 хромосом. Каждая мейотическая дочерняя клетка является гаплоидной и содержит 23 хромосомы.

Дочерние клетки и цитокинез

Последний этап в деления клеток происходит в цитокинезе. Этот процесс начинается во время анафазы и заканчивается после телофазы. Во время цитокинеза делящаяся клетка разделяется на две дочерние с помощью веретена деления

В клетках животных устройство веретена определяет местоположением важной структуры в процессе деления клеток, называемой сократительным кольцом. Сократительное кольцо образовано из филаментов, белков актина и микротрубочек, включая моторный белок миозин

Миозин сжимает кольцо актиновых нитей, образуя глубокую бороздку, называемую бороздкой расщепления. Поскольку сократительное кольцо продолжает сжиматься, оно делит цитоплазму и разделяет клетку на две вдоль бороздки расщепления.

Процесс цитокинеза отличается в растительных клетках. Растительные клетки не содержат астры, звездообразные микротрубочки, которые помогают определить место бороздки расщепления. На самом деле в цитокинезе растительных клеток не образуется спайная бороздка. Вместо этого дочерние клетки разделяются клеточной пластиной, образованной везикулами, которые высвобождаются из органелл аппарата Гольджи. Клеточная пластина расширяется в поперечном направлении и соединяется с клеточной стенкой растения, образуя перегородку между вновь разделенными дочерними клетками. Когда клеточная пластинка созревает, она в конечном итоге превращается в клеточную стенку.

Что такое мейоз?

Редукционное деление клетки, другими словами – мейоз – это вид деления ядра, при котором число хромосом уменьшается в два раза.

В переводе с древнегреческого языка, мейоз обозначает уменьшение.

Данный процесс происходит в два этапа:

Редукционный;

На этом этапе в процессе мейоза число хромосом в клетке уменьшается вдвое.

Эквационный;

В ходе второго деления гаплоидность клеток сохраняется.

Особенностью данного процесса является то, что протекает он только лишь в диплоидных, а также в чётных полиплоидных клетках. А всё потому, что в результате первого деления в профазе 1 в нечётных полиплоидах нет возможности обеспечить попарное слияние хромосом.