Общая биология
реклама
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
