Деление клетки: митоз и мейоз

Хромосомы и хромосомный набор

Хромосомы – структуры, состоящие из молекул ДНК и белков–гистонов (обеспечивают компактизацию (плотную упаковку) данных молекул), образующиеся только в момент деления клетки

В химическом отношении хроматин и хромосомы — это одно и то же (ДНК + белки–гистоны), но хроматин – это менее компактная (неплотная/слабо спирализованная) форма молекул ДНК.

Уровни спирализации молекулы ДНК

Строение хромосомы

Типы хромосом в зависимости от расположения центромеры

Спутничные хромосомы. Вторичная перетяжка

Некоторые хромосомы (спутничные) на коротком плече содержат вторичную перетяжку, которая отделяет особый участок – спутник. В области вторичных перетяжек некоторых хромосом располагаются ядрышковые организаторы – участки ДНК, содержащие информацию о структуре рРНК. В этой области расположено ядрышко*

*В ядрышке осуществляется синтез рРНК. Здесь они приобретают определенную пространственную конфигурацию и соединяются с особыми белками, поступающими из цитоплазмы – так в ядрышке происходит сборка отдельных субъединиц рибосом (малой и большой).

Хромосомный набор. Половые хромосомы и аутосомы

Гомологичные хромосомы – хромосомы, имеющие одинаковую форму и размеры

P.s: в заданиях с рисунком на цвет хромосом не обращаем внимания! Он может отличаться.

Хромосомный набор клетки определяется числом гомологичных хромосом (плоидностью) и обозначается переменной n.

Набор хромосом может иметь и более высокий уровень плоидности n (триплоидный 3n и тд.), однако в норме для клеток организма это не характерно

Вид хромосом отличается в зависимости от того, в каком состоянии находится клетка: • Когда она не делится – хромосомы однохроматидные и имеют вид «палочки». P.s: молекулы ДНК в неделящейся клетке на самом деле находятся в форме хроматина (некомпактной), термин «хромосомы» в данном случае используется для удобства (упрощения). • Перед делением происходит самоудвоение ДНК: хромосомы становятся двухроматидными – каждая из них теперь состоит из двух сестринских хроматид.

1 Хроматида = 1 молекула ДНК. Количество молекул ДНК обозначается переменной с

• Поэтому перед делением во время самоудвоения ДНК набор хромосом n не меняется, но изменяется количество ДНК c.

Кариотип

Кариотип – совокупность количественных (число и размеры) и качественных (форма) признаков хромосомного набора соматической клетки

Для каждого вида организмов характерен свой кариотип

Количество половых хромосом и аутосом зависит от типа клеток

1) Соматические (клетки тела):

• Диплоидный 2n набор хромосом

• Всегда имеют 2 половые хромосомы, все остальные – аутосомы

• Например, в соматических клетках человека всего 46 хромосом, из них – 2 половые и 44 аутосомы

2) Половые клетки – гаметы (яйцеклетки и сперматозоиды):

• Гаплоидный n набор хромосом

• Всегда имеют 1 половую хромосому, все остальные – аутосомы

• Например, в половых клетках человека всего 23 хромосомы, из них – 1 половая и 22 аутосомы

Типы деления клеток

• Митоз - это непрямое деление, при котором дочерние клетки полностью идентичны материнской
• Мейоз - это деление, в результате которого дочерние клетки получают уменьшенный в два раза генетический материал

• Существует еще 1 тип деления клеток – амитоз.

• Амитоз – это прямое деление ядра клетки путем перетяжки, без образования хромосом и нитей веретена деления.

• Генетический материал при амитозе распределяется неравномерно.

• Амитоз встречается у некоторых одноклеточных организмов. У многоклеточных амитоз наблюдается при различных патологических процессах (рост опухолей, воспаление и др.), а также в стареющих, обреченных на гибель клетках.

Жизненный цикл клетки

Клеточный цикл – период жизни клетки от момента ее образования до следующего деления или гибели.

Апоптоз – запрограммированная гибель клетки

Клетки не способны к бесконечному делению (т.к. в ином случае организмы были бы бессмертны). Это связано с тем, что ДНК клетки содержит специальные «гены смерти», которые рано или поздно активируются, в результате чего будет происходить синтез специальных белков, которые «убивают» клетку – она сжимается и разрушаются ее компоненты.

Периоды интерфазы

1) G1 (пресинтетический/постмитотический) 

Обычно самый длительный период • Клетка интенсивно растет (увеличивается количество ее органоидов) • Синтез различных веществ (РНК, белки) и АТФ для последующей репликации • Каждая хромосома однохроматидная, поэтому набор хромосом и количество ДНК – 2n2c (если речь про исходно диплоидную клетку)

2) S (Синтетический)

• Происходит репликация ДНК: 2n2c → 2n4c

• Удвоение центриолей клеточного центра

3) G2 (постсинтетический/премитотический)

Cинтез различных веществ (РНК, белков, например – тубулина для построения микротрубочек нитей веретена деления) и АТФ, необходимых непосредственно для самого деления • Удвоение центросомы (увеличение числа клеточных центров)* • Набор хромосом и количество ДНК – 2n4c

*Если мы говорим именно про центриоли – они удваиваются в S–фазу, но сам органоид – клеточный центр (центросома) – заканчивает удвоение в G2 периоде Однако в тестовых заданиях различных пособий могут быть допущения – например, могут написать, что удвоение центриолей происходит в G2 периоде

 Фаза Митоза

1) Профаза (2n4c)

• Спирализация (конденсация/ компактизация) хроматина — формирование хромосом 

• Исчезновение ядрышка и растворение ядерной оболочки 

• Центриоли расходятся к полюсам клетки 

• Формирование нитей веретена деления

2) Метафаза (2n4c)

• Нити веретена деления соединяются с центромерами хромосом и перемещают их в экваториальную зону 

• Хромосомы начинают выстраиваться по экватору клетки — формируется метафазная пластинка

3) Анафаза (4n4c)

• Нити веретена деления сокращаются (укорачиваются), разделяют двухроматидные хромосомы в районе центромер и растаскивают сестринские хроматиды к полюсам клетки

4) Телофаза (2n2c)

• Деспирализация (декомпактизация/ деконденсация) хромосом (ДНК и белки— гистоны переходят в состояние хроматина) 

• Формируется ядерная оболочка 

• Восстанавливается ядрышко 

• Нити веретена деления исчезают 

• Происходит деление цитоплазмы — цитокинез (образуются две дочерние клетки)

Особенности цитокинеза у животных и растений

У животных:

В экваториальной плоскости возникает перетяжка (борозда дробления/ деления). На цитоплазматической поверхности борозды находится сжимающееся (сократительное) кольцо, состоящее из актиновых и миозиновых нитей. Сокращение разделительного (сократительного /контрактильного) кольца микрофиламентов похоже на затягивание шнурка. Разделительная борозда углубляется до тех пор, пока не происходит разделения двух дочерних клеток.

У растений

Растения не могут так делиться, так как имеют жесткую клеточную стенку. У них нити веретена деления исчезают не полностью, а сохраняются в экваториальной зоне. Здесь за счёт содержимого пузырьков аппарата Гольджи формируется клеточная (срединная) пластинка, которая разрастаясь, сливается со стенками исходной клетки и разделяет материнскую клетку на две дочерние.

Значение митоза

Обеспечивает сохранение (постоянство) хромосомного набора у дочерних клеток одного организма (т.е. обеспечивает генетическую стабильность организма. Является основой роста и развития организма, бесполого размножения, а также восстановления тканей и органов (регенерации).

Мейоз состоит из двух последовательных делений – мейоз I и мейоз II

Мейоз I – редукционное деление, т.к. во время него происходит редукция числа хромосом и молекул ДНК соответственно (уменьшение их количества вдвое)

Фаза Мейоза I

1) Профаза I (2n4c)

• Спирализация (компактизация / конденсация) хромосом 

• Конъюгация — сближение гомологичных хромосом и образование бивалентов (пар гомологичных хромосом/тетрад, тк содержат и хроматиды) 

• Кроссинговер – возможный перекрест и обмен участками гомологичных хромосом* 

• Растворение ядерной оболочки и исчезновение ядрышек 

• Расхождение к полюсам центриолей клеточного центра 

• Образование веретена деления

2) Метафаза I (2n4c)

• Нити веретена деления присоединяются к центромерам двухроматидных хромосом и перемещают их в экваториальную зону 

• Биваленты выстраиваются по экватору, образуя метафазную (экваториальную пластинку)

3) Анафаза I (2n4c)

• Сокращение (укорочение) нитей веретена деления 

• Разделение бивалентов и расхождение к полюсам клетки двухроматидных хромосом из каждой каждой гомологичной пары 

• Набор хромосом у полюсов стал гаплоидным, т.к. у каждого из них оказываются двухроматидные хромосомы, НЕ ИМЕЮЩИЕ гомологичной пары (т.е. происходит редукция числа хромосом и молекул ДНК) 

• Набор хромосом и хроматид (молекул ДНК) у каждого полюса – n2c

4) Телофаза I (n2c)

• Деспирализация (декомпактизация/ деконденсация) хромосом (ДНК и белки—гистоны переходят в состояние хроматина) 

• Восстановление ядерной оболочки и формирование ядрышка (т.е. происходит формирование двух гаплоидных ядер) 

• Разрушение нитей веретена деления 

• Цитокинез – деление цитоплазмы исходной клетки на две дочерние, каждая из которых содержит гаплоидное ядро

*Кроссинговер – возможный перекрест гомологичных хромосом и обмен их участками. Самая сложная и продолжительная фаза мейоза (занимает около 90% всего времени деления). Стоит помнить, что кроссинговер происходит НЕ ВСЕГДА, поэтому в заданиях с рисунком его могут не отобразить.

Рисунок со строением бивалента с реального ЕГЭ

1 – двухроматидная хромосома 2 – бивалент (пара гомологичных хромосом/тетрада хроматид) 3 – хроматида 4 – теломера (концевой участок хроматиды) 5 – хиазма (место перекреста хроматид) 6 – центромера (первичная перетяжка)

Промежуток времени между первым и вторым делениями мейоза – интеркинез:

• Очень короткий (у животных), у некоторых организмов может отсутствовать (например, у растений)

• Не происходит репликация ДНК (т.е. число хромосом и молекул ДНК не изменяется)

• После интеркинеза каждая из двух клеток, образовавшихся в результате мейоза I, вступает в мейоз II – эквационное деление (от лат. aequatio — уравнивание)

• Эквационное деление полностью идентично митозу (с той лишь разницей, что участвующие клетки гаплоидны) и протекает в двух клетках синхронно

* При отсутствии интеркинеза, клетки, завершившие телофазу I, сразу же переходят в профазу II. Однако, у некоторых организмов могут отсутствовать и эти фазы. Например, большинство растительных клеток, 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.

Фаза Мейоза II

1) Профаза II (n2c)

Спирализация хроматина (компактизация/ конденсация) – формирование хромосом* 

• Исчезновение ядрышка и растворение ядерной оболочки 

• Расхождение центриолей клеточного центра (центросомы) к полюсам клетки 

• Формирование нитей веретена деления

2) Метафаза II (n2c)

• Нити веретена деления соединяются с центромерами хромосом и перемещают их в экваториальную зону 

• Хромосомы выстраиваются по экватору клетки — формируется метафазная (экваториальная) пластинка

3) Анафаза II (2n2c)

• Нити веретена деления (сокращаются/ укорачиваются) и тем самым растаскивают сестринские хроматиды хромосом к полюсам клетки 

• Каждая хроматида становится при этом самостоятельной хромосомой

4) Телофаза II (nc)

• Деспирализация (декомпактизация/ деконденсация) хромосом (ДНК и белки-гистоны переходят в состояние хроматина) 

• Восстановление ядерной оболочки и формирование ядрышка (т.е. происходит формирование четырех гаплоидных ядер, в каждое из которых попадают однохроматидные хромосомы, НЕ имеющие гомологичной пары) 

• Разрушение нитей веретена деления 

• Цитокинез, в результате которого образуется 4 дочерние клетки с набором хромосом и количеством ДНК — nc

Значение мейоза

Обеспечивает постоянство набора хромосом (предотвращает его удвоение) в каждом новом поколении организмов одного вида (т.е. обеспечивает генетическую стабильность ВИДА), так как мейозом образуются гаплоидные половые клетки (гаметы – сперматозоиды и яйцеклетки), при слиянии которых формируется зигота – первая диплоидная клетка организма (т.е. происходит восстановление хромосомного набора с гаплоидного до диплоидного). Поэтому мейоз является основой полового размножения.

Кроссинговер (в профазу 1) и независимое расхождение хромосом (в анафазу 1) являются источниками комбинативной изменчивости, т.е. обеспечивают рекомбинацию генов и, как следствие, новые комбинации признаков у потомков. В результате чего повышается биологическое разнообразие потомства, которое, в свою очередь, повышает эффективность (= усиливает) естественного отбора и приспособленность популяции к условиям окружающей среды (повышает адаптационные возможности организмов)