Характеристика мейоза как способ деления клетки

Деление клетки: мейоз — фазы и биологическое значение

В этой статье мы разберемся, что такое мейоз и через какие фазы он проходит. Поймем какой хромосомный набор на каждом этапе такого деления и что обозначают все эти n и c. А самое главное — какое биологическое значение у мейоза. В конце сравним его с митозом, выявим сходства и различия между ними.

Что же такое мейоз?

Мейоз — это способ деления клетки. Его еще называют редукционным делением, потому что из одной диплоидной клетки получается четыре гаплоидных, то есть происходит уменьшение хромосом в два раза.

Какие клетки могут так делиться? Эукариотические, но не все, а только избранные. Прежде всего, это предшественники половых клеток человека — сперматоциты и овоциты (или ооциты). Ещё таким способом образуются споры у высших растений.

Мейоз проходит через два этапа — редукционный и эквационный. Каждый из них разделяется на четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Но перед тем , как рассмотреть этапы и фазы давайте разберемся из чего складывается хромосомный набор.

Хромосомный набор

Начнем с хромосомы. Представьте себе мешок с картошкой. Вот хромосома — это такой мешок, только вместо картошки в ней длинная молекула ДНК, которая связана с белками — гистонами и негистонами.

Всего у нас 46 хромосом или 23 пары. Почему пары? Дело в том, что у каждой хромосомы есть своя сестричка — двойняшка (гомолог). Вроде они и очень похожи, но разница есть. Они содержат похожие молекулы ДНК, но не такие же! Гомологичные хромосомы могут содержать немного разные нуклеотидные последовательности, а значит по-разному проявляют признаки.

Когда у каждой хромосомы есть своя пара, то это диплоидный набор — 46 хромосом. Если пары нет, то это гаплоидный набор — 23 хромосомы.

n — это число хромосом. У каждой есть своя пара, значит всего 2n.

c — это число молекул ДНК, в одной хромосоме одна молекула. Всего молекул = 2c

Редукционный этап или первое деление мейоза

Его суть — изменение числа хромосом внутри клетки. То есть из одной диплоидной (2n4c) клетки получаем две гаплоидных (1n2c). Так стоп, откуда 4c? До этого же было 2n2c. Ах да… Сейчас разберемся.

Интерфаза

Перед вступлением в мейоз клетка проходит через интерфазу. Ей нужно подготовиться к делению — запасти энергетических субстратов (АТФ), синтезировать необходимые белки и удвоить количество молекул ДНК. Еще в интерфазу происходит удваивание центромер.

В интерфазу произошла репликация ДНК — образовалась идентичная цепь. Но эти две цепи, или хроматиды, связаны между собой при помощи центромеры, значит количество хромосом такое же. Итого набор — 2n4c

Ну вы ведь понимаете, что таким образом реплицируются все 46 хромосом. Просто удобнее показать на паре. Помните, что все 23 пар вступают в мейоз, а не только одна. После репликации начинается собственно мейоз, а именно его первая фаза:

Профаза мейоза I

В отличие от митоза состоит из пяти стадий: лептотена, зиготена, пахитена диплотена и диакинез. Она более длительная и здесь протекают важные процессы: конъюгация и кроссинговер. Еще в эту фазу растворяется ядерная оболочка и формируется веретено деления, подробнее об этом ниже.

Лептотена

Какая основная задача у клетки? Правильно, передать генетический материал своим потомкам. Поэтому она начинает упаковывать молекулы ДНК как можно плотнее, она собирает чемодан, ведь не хочет ничего не потерять в пути. Этот процесс называется спирализация или конденсация хромосомы. Клетка так старается, что невидимые раньше в микроскоп хромосомы становятся видимыми. Они похожи на длинные и тонкие нити.

Зиготена

Здесь происходит конъюгация хромосом — их сближение с образованием бивалентов. Связь обеспечивает синаптонемальный комплекс — он удерживает гомологичные хромосомы рядом это необходимо для запуска кроссинговера на следующем этапе.

Связи между хромосомами могут иметь разный вид, но они должны быть. Если в клетке останутся хромосомы, которые не сблизились, то она запускает апотоз и погибает. Клетка — с заботой о будущих поколениях!

Пахитена

Начинается с еще большей конденсации хромосом, они становятся короче и толще. Но в местах образования синаптонемальных комплексов происходит частичное раскручивание (деконденсация) хромосом.

Все это для начала кроссинговера — обмена участками ДНК у гомологичных хромосом. Обмен обеспечивает перекомбинацию генетического материала. Если бы мы могли рассоединить хромосомы сразу после кроссинговера, то увидели примерно такую картину:

Схема. Кроссинговер.

Это лишь схематичное изображение, перекресты могут происходить в самых разных местах , что дает огромную генетическую вариабельность.

В конце пахитены мостики между хромосомами разрушаются, они начинают отдаляться друг от друга.

Диплотена

Хромосомы расходятся в области центромер, но остаются связаны между собой в местах кроссинговера — перекрестах или хиазмах. В микроскоп можно увидеть все четыре хроматиды, так сильно они упаковались (спирализовались).

Диакинез

Гомологичные хромосомы расходятся, формируется веретено деления и исчезает ядерная оболочка. Этим завершается профаза мейоза I. Вид клетки примерно такой:

Хромосомный набор в конце профазы I

Метафаза мейоза I

В этой фазе заканчивается образование веретена деления. Нити веретена прикрепляются к центромерам и начинают притягивать хромосомы, из-за этого они располагаются на экваторе клетки.

Набор в метафазе I

Анафаза мейоза I

Нити веретена деления продолжают тянуть хромосомы на себя — они расходятся к полюсам клетки. На полюсах клетки располагается по 23 хромосомы, но они все еще состоят из двух нитей ДНК.

n2c у полюсов, но вся клетка 2n4c

Набор в анафазу I

Телофаза мейоза I

Завершение редукционного деления. Появляется ядерная оболочка, которая окружает хромосомы. Затем возле ядер появляется перетяжка, которая делит клетку на две части. Образуются две гаплоидные клетки.

Образование двух гаплоидных клеток — n2c

Результат редукционного деления

Второй этап мейоза — эквационный

Начинается сразу же после первого. Эквация — это уравнивание. Так что задача клетки на этом этапе — сделать так, чтобы в одной хромосоме была одна молекула ДНК.

Он похож на митоз, здесь к полюсам клетки отправятся хроматиды, а не целые хромосомы и мы получим из каждой клетки по две — с набором nc.

Протекает он через такие же фазы, но с одним исключением. Здесь не будет интерфазы — клетка уже готова к делению, она запасла энергетические субстраты и белки ещё перед началом первого деления. Поэтому сразу начинается профаза II.

Профаза мейоза II

Клетка уже сделала свою работу — упаковала генетический материал как можно лучше. Ей ничего не нужно делать, ну почти. Разве что растворить ядерные оболочки и достроить веретено деления. Этим она и займется.

Вы конечно понимаете, что вторая клетка идет по такому же пути. Просто мне лень рисовать сразу две.

Набор в профазу II

Метафаза мейоза II

Прикрепление нитей веретена деления к центриолям — хромосомы снова на экваторе клетки.

Анафаза мейоза II

Торжественный момент — сейчас наши хроматиды станут полноценными хромосомами. Каждая разойдется к своему полюсу.

Поздравляем, ох уж эти хроматиды, они так быстро растут…

У полюсов — nc, всего 2n2c, так как каждая хроматида теперь — это полноценная хромосома.

Набор в анафазу II

Телофаза мейоза II

Вокруг хромосом формируются ядерные мембраны, появляется перетяжка и делит клетку на две.

Вторая клетка прошла через такое же деление. Всего из одной диплоидной клетки 2n2c получилось четыре гаплоидных с набором nc.

Четыре клетки с хромосомным набором — nc

Биологическое значение мейоза

1)Передать свой генетический материал будущим поколениям.

2)Поддержать диплоидный набор хромосом у организма. В конце мейоза формируются гаплоидные клетки, которые после оплодотворения образуют диплоидный набор.

3)Мейоз обеспечивает не только передачу генетической информации, но и ее преобразование — основа изменчивости. Кроссинговер обеспечивает взаимный обмен у гомологичных хромосом. В анафазу I к полюсам клетки независимо расходятся гомологичные хромосомы, а в анафазу II — хроматиды. Так формируются уникальные комбинации генов.

Источник

Биология. 11 класс

§ 18. Мейоз

Мейоз — особый способ деления эукариотических клеток, в результате которого из одной материнской клетки образуются четыре дочерние с уменьшенным в 2 раза набором хромосом. Если в мейоз вступает диплоидная клетка (2n4c), то образуются четыре гаплоидные клетки (1n1c). Клетки с гаплоидным набором хромосом не способны делиться мейозом.

Мейоз представляет собой два последовательных деления — мейоз I и мейоз II. Важно отметить, что репликация ДНК предшествует только первому мейотическому делению. Между мейозом I и мейозом II удвоения ДНК не происходит. Каждое из двух делений обычно включает профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Рассмотрим процесс мейотического деления диплоидной клетки. Первое деление мейоза осуществляется следующим образом (табл. 18.1)

Таблица 18.1. Первое деление мейоза (мейоз I)

Схема

Фаза и процессы, происходящие в ней

Профаза I. В ядре начинается спирализация хроматина . *Длинные тонкие хроматиновые нити постепенно укорачиваются и при этом утолщаются, и формирующиеся хромосомы становятся четко различимыми в световой микроскоп.* Каждая хромосома состоит из двух хроматид. Содержание наследственного материала в клетке выражается записью 2n4c.

Гомологичные хромосомы попарно сближаются и соединяются друг с другом *сначала в нескольких участках, а затем по всей своей длине*. Этот процесс называется конъюгацией гомологичных хромосом, *а образовавшиеся хромосомные пары — бивалентами. В ходе конъюгации хромосомы тесно соприкасаются. В некоторых точках соприкосновения, называемых хиазмами, вследствие разрыва и последующего воссоединения молекул ДНК,* между хроматидами гомологичных хромосом может происходить обмен соответствующими участками — кроссингóвер. *Далее гомологичные хромосомы в составе каждого бивалента начинают отталкиваться друг от друга и в результате остаются связанными только в областях хиазм.*

Одновременно с этим в клетке начинается образование веретена деления. К концу профазы I исчезают ядрышки и распадается ядерная оболочка

Метафаза I. Завершается формирование веретена деления. Спирализация хромосом достигает максимума. * Биваленты * располагаются в центральной части клетки, *образуя метафазную пластинку. Каждый бивалент ориентирован таким образом, что центромеры гомологичных хромосом находятся по разные стороны от экваториальной плоскости клетки, на одинаковом расстоянии от нее.* При этом нити веретена деления, идущие от противоположных полюсов клетки, прикреплены к центромерам разных гомологичных хромосом. Таким образом, в составе каждого *бивалента* одна из хромосом оказывается связанной с одним полюсом клетки, а другая — с противоположным

Анафаза I. *Каждый бивалент распадается на две хромосомы , причем их* центромеры, в отличие от митоза, не разделяются надвое. Поэтому нити веретена деления растягивают к противоположным полюсам клетки не сестринские хроматиды, как при митозе, а гомологичные хромосомы . Следовательно, диплоидный набор 2n4c разделяется на два гаплоидных набора, которые впоследствии попадут в разные дочерние клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые в результате кроссинговера уже не идентичны друг другу. Таким образом, в конце анафазы I набор хромосом и хроматид у каждого полюса делящейся клетки составляет 1n2c

Телофаза I. Веретено деления разрушается. Происходит деспирализация хромосом и формирование двух ядер. Далее клетка разделяется на две дочерние. Они имеют гаплоидный набор хромосом, каждая хромосома состоит из двух хроматид (1n2c)

Промежуток времени между первым и вторым делениями мейоза обычно очень короткий. В этот период, как уже отмечалось, не осуществляется репликация ДНК. Каждая из двух клеток, образовавшихся в результате мейоза I, вступает в мейоз II. Это деление протекает аналогично митозу (табл. 18.2).

*У некоторых организмов перерыв между мейозом I и мейозом II — так называемый интеркинез вообще отсутствует. При этом клетки, завершившие телофазу I, сразу же переходят в профазу II. Более того, могут выпадать и эти фазы. Так, у большинства растений, клетки, делящиеся мейозом, после окончания анафазы I вступают непосредственно в метафазу II. В этом случае переход от первого мейотического деления ко второму не сопровождается деспирализацией хромосом, формированием двух ядер и разделением материнской клетки на две дочерние.*

Таблица 18.2. Второе деление мейоза (мейоз II)

Схема

Фаза и процессы, происходящие в ней

Профаза II. В результате спирализации хроматина формируются двухроматидные хромосомы (набор 1n2c). В это же время начинается образование веретена деления. После распада ядерной оболочки отдельные хромосомы беспорядочно располагаются в гиалоплазме

Метафаза II. Завершается формирование веретена деления. Хромосомы , достигшие максимальной спирализации, выстраиваются в центральной части клетки, *формируя метафазную пластинку*. Нити веретена деления связывают центромеру каждой хромосомы с двумя противоположными полюсами

Анафаза II. Происходит разделение центромер. Сестринские хроматиды (теперь уже дочерние хромосомы ) растягиваются к разным полюсам клетки. В конце анафазы II набор хромосом и хроматид у каждого полюса составляет 1n1c

Телофаза II. Хромосомы деспирализуются, формируются ядра, и происходит разделение клеток. При этом образуются четыре дочерние клетки, имеющие набор 1n1c

Таким образом, в результате первого деления мейоза исходная материнская клетка (2n4c) разделилась на две дочерние, имеющие гаплоидный набор хромосом. *Следовательно, в мейозе I произошла редукция (уменьшение) числа хромосом в 2 раза. Поэтому первое деление называют редукционным. В образовавшихся гаплоидных клетках каждая хромосома представлена двумя хроматидами (1n2c).

В результате второго деления, протекающего по типу митоза, набор хромосом (1n) не изменяется. Это деление мейоза называется эквационным (от лат. aequatio — уравнивание). Эквационное деление, в отличие от редукционного, сопровождается расхождением сестринских хроматид. Поэтому итогом второго деления является образование четырех гаплоидных клеток с однохроматидными хромосомами (1n1c).*

Мейоз — более длительный процесс, чем митоз. Например, у ржи он протекает более 2 сут, у репчатого лука — около 4 сут. Мейотическое деление клеток мыши занимает примерно неделю. Мейоз , протекающий при образовании сперматозоидов человека, длится приблизительно 25 дней. Самой продолжительной стадией мейоза является профаза I.

*Как и в случае митоза, правильное протекание мейоза может быть нарушено действием определенных внешних или внутриклеточных факторов. Последствия таких воздействий могут быть разными, вплоть до образования нежизнеспособных дочерних клеток. Наиболее часто встречающейся патологией мейоза является нерасхождение хромосом в анафазе I. Оно происходит вследствие нарушения разделения бивалентов и выражается в том, что обе гомологичные хромосомы перемещаются к одному из полюсов клетки. Нерасхождение может наблюдаться и на стадии анафазы II. При этом к одному и тому же полюсу отходят две сестринские хроматиды (дочерние хромосомы ). Как в первом, так и во втором случае результатом нерасхождения хромосом является образование генетически неравноценных клеток. В одних клетках наблюдается избыток хромосом (1n + 1), а в других — недостаток (1n — 1).*

Биологическое значение мейоза. У животных и человека путем мейоза образуются гаметы — гаплоидные половые клетки. В результате последу ющего оплодотворения формируется зигота с двойным набором хромосом, из которой развивается новый организм. Он является диплоидным, как и его родители, а значит, сохраняет свойственный данному виду организмов кариотип. Без мейоза, приводящего к уменьшению набора хромосом в 2 раза, половое размножение сопровождалось бы удвоением числа хромосом в каждом новом поколении. У растений, многих водорослей и грибов мейоз приводит к формированию спор, с помощью которых осуществляется бесполое размножение.

Кроссинговер , происходящий в профазе I, приводит к перекомбинации наследственного материала между гомологичными хромосомами. В анафазе I гомологичные хромосомы каждой пары случайным образом, независимо от других пар, расходятся к разным полюсам клетки. В анафазе II то же самое происходит с сестринскими хроматидами. Все эти процессы являются важными источниками комбинативной изменчивости (будет рассмотрена подробно в главе 6), обеспечивающей появление разнообразного потомства как при половом размножении, так и при размножении спорами.

Источник