Стадии митоза и мейоза. Мейоз и митоз - отличие, фазы
Все организмы состоят из клеток, они способны к развитию, размножению и росту. Митоз и мейоз — способы деления клеток. Именно с их помощью происходит размножение клеток. Эти 2 способы во многом похожи. Митоз и мейоз состоят из одинаковых фаз. При помощи мейоза размножаются половые клетки , а при помощи митоза — соматические.
Мейоз — процесс деления клеток, может привести к образованию гамет.
Митоз — процесс непрямого деления клеток-эукариотов. Благодаря ему делятся клетки грибов, растений, животных.
Сходства и различия митоза и мейоза:
- Митоз может передавать информацию от клетки к клетке. А мейоз в свою очередь передает от поколения к поколению.
- Митоз является универсальным способом размножения всех клеток тела. А мейоз — способ образования яйцеклеток и сперматозоидов.
- В результате мейоза образуются 4 клетки. Митоз приводит к образованию 2 клеток.
- При мейозе клетка получает гаплоидный набор — уменьшение числа хромосом. При митозе клетки остаются диплоидными — количество хромосом не изменяется.
- Мейоз состоит из двух делений, а митоз — из одного.
Чем стадии мейоза отличаются от стадий митоза?
Основные отличия перечислены на схеме ниже. Но в действительности их намного больше. В мейозе два стадии - мейоз 1 и мейоз 2. В мейозе по-другому изменяется набор хромосом и молекул ДНК внутри стадий. Мейоз 2 похож на митоз в анафазе 2.
Рисунок 1. Отличия митоза от мейоза
Зачем существует профаза 1 мейоза 1? Какие ей можно дать метафоры?
Смысл существования профазы 1 - разнообразие жизни на Земле, так как в ней идет кроссинговер. Более того, любая профаза (митоза и мейоза) - это великий разрушитель и созидатель одновременно. Как разрушитель она выступает при растворении ядерной оболочки и ядрышка. Как созидатель - при создании видимых двухроматидных хромосом. Созидательная сила профазы проявляется также в разросшихся микротрубочках веретена деления и в отчетливом появлении двух полюсов деления клетки.
Что такое хроматиды? Чем они отличаются от хромосом?
В конце профазы конденсация хромосом завершается. Хромосомы утолщены, отделены от ядерной мембраны. В профазе становятся видны хромосомы, состоящие из двух хроматид. Представьте, что пара рук человека - это одна хромосома. В профазе мы четко видим, что одна хромосома состоит из двух частей - двух хроматид, точно также как человек имеет две руки, правую и левую.
Что представляют собой гомологичные хромосомы в профазе?
Гомологичные хромосомы, образно говоря - это муж и жена или мужчина и женщина. Почему? Во-первых, они парные, то есть находятся рядом друг с другом. Во-вторых, они достаются организму от разных родителей, всегда разнополых. В-третьих, в этой паре хромосом содержатся два аллеля. Они отвечают за альтернативные проявления одного гена. Например, есть ген цвета волос, и он представлен двумя аллелями: светлых волос и темных волос. Хромосомы в профазе - это гении общения. Они действительно «общаются», обмениваясь участками, в которых расположены определенные аллели. Следовательно, идет обмен аллелями генов.
Что такое бивалент, тетрада?
Как вы знаете, семья состоит минимум из двух человек. Представьте, что пара рук мужчины - это одна гомологичная хромосома, пара рук женщины - вторая. Если мужчина и женщина соединят свои руки, получится метафора двух хромосом в профазе 1. Аналогично образуется бивалент. Две гомологичные хромосомы сближаются в профазе 1 для кроссинговера. Бивалент - это две объединенные в профазе 1 мейоза 1 гомологичные хромосомы. Так как в двух гомологичных хромосомах всего имеются 4 хроматиды, бивалент еще называют тетрадой.
Рисунок 2
Какова метафора кроссинговера?
Представим себе, что встретились два человека, словно две хромосомы. Допустим, данных людей сближает то, что они художники, профессионалы в одной области. Так и две хромосомы одинаковы в том, что они гомологичные - достались нам одна от отца, другая от матери, имеют взаимно параллельные участки и аллельные гены. У гипотетических художников цель общения - обмен опытом, идеями в изобразительном искусстве. Цель «общения» хромосом - обмен аллелями одного гена. Данные аллели (аллельные гены) близки тем, что они представляют один ген и отвечают за его альтернативные проявления. Например, рассмотрим ген цвета глаз. В каждой из гомологичных хромосом могут находиться по одному аллелю данного гена. Один аллель отвечает за карий цвет глаз, другой - за голубой.
После обмена идеями приобретут ли два художника новую профессию, например, инженера? Почему кроссинговер не образует новые аллели генов?
Вряд ли два наших художника изменят своему призванию. Так и гомологичные хромосомы после обмена не получат друг от друга абсолютно новых аллелей, например, аллель фиолетовых глаз. Они просто обменяются тем, что имеют. Если в одной хромосоме был аллель голубых глаз, она его передаст другой при кроссинговере. Гомологичная ей хромосома передаст свой ген карих глаз. В этом суть обмена. Сразу скажу, что совершенно новые аллели генов образуются в результате генных мутаций.
Рисунок 3. Отличия кроссинговера "до" и "после"
Мейоз (от греч. meiosis – уменьшение) - это особый способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния 2n в гаплоидное n. Этот вид деления был впервые описан В. Флемингом в 1882 г. у животных и Э. Страсбургером в 1888 г. у растений. Мейоз включает два последовательных деления: первое (редукционное) и второе (эквационное). В каждом делении выделяют 4 фазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Все фазы первого мейотического деления обозначают цифрой I, а все фазы второго деления - цифрой II. Мейозу предшествует интерфаза, в процессе которой происходит удвоение ДНК и клетки вступают в мейоз с хромосомным набором 2n4с (n - хромосомы, с - хроматиды).
Профаза I мейоза отличается значительной продолжительностью и сложностью. Ее условно разделяют на пять последовательных стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез. Каждая из этих стадий обладает своими отличительными особенностями.
Лептотена (стадия тонких нитей). Для этой стадии характерно наличие тонких и длинных хромосомных нитей. Число хромосомных нитей соответствует диплоидному числу хромосом. Каждая хромосомная нить состоит из двух хроматид, соединенных общим участком - центромерой. Хроматиды очень близко сближены, и поэтому каждая хромосома кажется одиночной.
Зиготена (стадия соединения нитей). Моментом перехода лептотены в зиготену считают начало синапса. Синапс – процесс тесной конъюгации двух гомологичных хромосом. Подобная конъюгация отличается высокой точностью. Конъюгация часто начинается с того, что гомологичные концы двух хромосом сближаются на ядерной мембране, а затем процесс соединения гомологов распространяется вдоль хромосом от обоих концов. В других случаях синапс может начаться во внутренних участках хромосом и продолжаться по направлению к их концам. В результате каждый ген входит с соприкосновение с гомологичным ему геном той же хромосомы. Такой тесный контакт между гомологичными участками хроматид обеспечивается благодаря специализированной структуре – синаптонемальному комплексу. Синаптонемальный комплекс представляет собой длинное белковое образование, напоминающее веревочную лестницу, к противоположным сторонам которого плотно прилегают два гомолога.
Пахитена (стадия толстых нитей). Как только завершается синапс по всей длине хромосом, клетки вступают в стадию пахитены, на которой они могут оставаться несколько суток. Соединение гомологов становится столь тесным, что уже трудно отличить две отдельные хромосомы. Однако это пары хромосом, которые называют бивалентами. В этой стадии происходит кроссинговер, или перекрест хромосом.
Кроссинговер (от англ. crossingover - пересечение, скрещивание) - взаимный обмен гомологичными участками гомологичных хромосом. В результате кроссинговера хромосомы несут комбинации генов в новом сочетании. Например, ребенок родителей, один из которых имеет темные волосы и карие глаза, а другой - светловолосый и голубоглазый, может иметь карие глаза и светлые волосы.
Диплотена (стадия двойных нитей). Стадия диплотены начинается с разделения конъюгировавших хромосом. Процесс отталкивания начинается в области центромеры и распространяется к концам. В это время хорошо видно, что бивалент состоит из двух хромосом (откуда и название стадии «двойные нити»), и что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Всего в биваленте структурно обособлены четыре хроматиды, поэтому бивалент называют тетрадой. В это же время становится видно, что тела двух гомологичных хромосом переплетаются. Фигуры перекрещенных хромосом напоминают греческую букву «хи» (χ), поэтому места перекреста назвали хиазмами. Наличие хиазм связано с произошедшим кроссинговером. По мере прохождения этой стадии хромосомы как бы раскручиваются, происходит перемещение хиазм от центра к концам хромосом (терминализация хиазм). Это обеспечивает возможность движения хромосом к полюсам в анафазе.
Диакинез. Диплотена незаметно переходит в диакинез, завершающую стадию профазы I. На этой стадии биваленты, которые заполняли весь объем ядра, начинают перемещаться ближе к ядерной оболочке. К концу диакинеза контакт между хроматидами сохраняется на одном или обоих концах. Исчезновение оболочки ядра и ядрышек, а также окончательное формирование веретена деления завершают профазу I.
Метафаза I. В метафазе I биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки. Нити веретена прикрепляются к центромерам гомологичных хромосом.
Анафаза I. В анафазе I к полюсам отходят не хроматиды, как при митозе, а гомологичные хромосомы из каждого бивалента. В этом принципиальное отличие мейоза от митоза. При этом расхождение гомологичных хромосом носит случайный характер.
Телофаза I очень короткая, в процессе ее идет формирование новых ядер. Хромосомы деконденсируются и деспирализуются. Так заканчивается редукционное деление, и клетка переходит в короткую интерфазу, после которой наступает второе мейотическое деление. От обычной интерфазы эта интерфаза отличается тем, что в ней не происходит синтеза ДНК и дупликации хромосом, хотя синтез РНК, белка и других веществ может происходить.
Цитокинез у многих организмов происходит не сразу после деления ядер, так что в одной клетке лежат два ядра более мелких, чем исходное.
Затем наступает второе деление мейоза, сходное с обычным митозом.
Профаза II очень короткая. Она характеризуется спирализацией хромосом, исчезновением ядерной оболочки, ядрышка, формированием веретена деления.
Метафаза II. Хромосомы располагаютсяв экваториальной плоскости. Центромеры, соединяющие пары хроматид, делятся (в первый и единственный раз в течение мейоза), что свидетельствует о начале анафазы II.
В анафазе II хроматиды расходятся и быстро увлекаются нитями веретена от плоскости экватора к противоположным полюсам.
Телофаза II. Для этой стадии характерно деспирализация хромосом, образование ядер, цитокинез. В итоге из двух клеток мейоза I в телофазе II образуются четыре клетки с гаплоидным числом хромосом. Описанный процесс типичен для образования мужских половых клеток. Образование женских половых клеток идет аналогично, но при овогенезе развивается лишь одна яйцеклетка, а три мелких направительных (редукционных) тельца впоследствии отмирают. Направительные тельца несут полноценные хромосомные наборы, но практически лишены цитоплазмы и вскоре погибают. Биологический смысл образования этих телец заключается в необходимости сохранения в цитоплазме яйцеклетки максимального количества желтка, потребного для развития будущего зародыша.
Таким образом, для мейоза характерно два деления: в ходе первого расходятся хромосомы, в ходе второго - хроматиды.
Разновидности мейоза. В зависимости от места в жизненном цикле организма выделяют три основных типа мейоза: зиготный, или начальный, споровый, или промежуточный, гаметный, или конечный. Зиготный тип происходит в зиготе сразу после оплодотворения и приводит к образованию гаплоидного мицелия или таллома, а затем спор и гамет. Этот тип характерен для многих грибов и водорослей. У высших растений наблюдается споровый тип мейоза, который проходит перед цветением и приводит к образованию гаплоидного гаметофита. Позднее в гаметофите образуются гаметы. Для всех многоклеточных животных и ряда низших растений свойственен гаметный, или конечный, тип мейоза. Протекает он в половых органах и приводит к образованию гамет.
Биологическое значение мейоза заключается в том, что:
· поддерживается постоянный кариотип в ряду поколений организмов, размножающихся половым путем (после оплодотворения образуется зигота, содержащая характерный для данного вида набор хромосом).
· обеспечивается перекомбинация генетического материала как на уровне целых хромосом (новые комбинации хромосом), так и на уровне участков хромосом.
Мейозом называют процесс деления ядер зародышевых клеток при их превращении в гаметы. Мейоз включает два деления клеток, которые называют соответственно мейоз I и мейоз II. Каждое из этих делений формально состоит из тех же стадий, что и митоз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы.
Первое мейотическое деление – редукционное. Из одной клетки с диплоидным набором хромосом образуется две с гаплоидным.
· Лептотена. Стадия тонких нитей. Увеличение ядра (диплоидный набор хромосом), начинается спирализация хромосом.
· Зиготена. Коньюгация гомологичных хромосом.
· Пахитена. Стадия толстых нитей. Бивалент (коньюгирующие хромосомы) состоит из 4 хроматид. Число бивалентов равно гаплоидному набору. Происходит дальнейшая спирализация. Кроссинговер.
· Диплотена. Возникают силы отталкивания. Расхождение хромосом (начинается в области центромер). В каждой хиазме (место, где происходит кроссинговер) осуществляется обмен участками хроматид. Хромосомы спирализуются и укорачиваются.
· Диакинез. Максимальная спирализация, укорочение и утолщение хромосом. Ядрышко и ядерная оболочка растворяются. Центриоли расходятся к полюсам.
Метафаза 1. Биваленты хромосом располагаются по экватору веретена деления клетки, образуя метафазную пластинку. К хромосомам прикрепляются нити веретена деления.
Анафаза 1. К полюсам веретена деления расходятся хромосомы. В дочерние клетки попадают только по одной паре гомологичных хромосом.
Телофаза 1. Число хромосом в каждой клетке становится гаплоидным. На короткое время образуется ядерная оболочка, хромосомы деспирализуются, ядро становится интерфазным. Затем у животной клетки – деление цитоплазмы, у растительной – образование клеточной стенки.
Интерфаза 2. (только у животных клеток). В синтетическом периоде не происходит репликации ДНК.
Второе мейотическое деление – эквационное. Похоже на митоз. Из хромосом, имеющих две хроматиды, образуются хромосомы, состоящие из одной хроматиды.
Профаза 2. Хромосомы утолщаются и укорачиваются. Ядрышко и ядерная оболочка растворяются. Образуется веретено деления.
Метафаза 2. Хромосомы выстраиваются вдоль экватора. Нити ахроматинового веретена отходят к полюсам. Образуется метафазная пластинка.
Анафаза 2. Центромеры делятся и тянут за собой хромосомы (к противоположным полюсам).
Телофаза 2. Хромосомы деспирализуются, становятся невидимыми. Нити веретена исчезают. Вокруг ядер формируется ядерная оболочка. Ядра содержат гаплоидный набор. Происходит деление цитоплазмы/образование клеточной стенки. Из одной исходной клетки – 4 гаплоидных.
Значение мейоза:
1. Поддержание постоянства числа хромосом.
2. При мейозе образуется большое число новых комбинаций негомологичных хромосом.
3. В процессе кроссинговера имеют место рекомбинация генетического материала.
Отличия митоза от мейоза.
В митозе: 1) в процессе митоза происходит только одно деление клетки;
2) ДНК синтезируется перед делением клетки, в интерфазе (в S-период интерфазы);
3) профаза занимает небольшой промежуток времени;
4) в профазе конъюгация и кроссинговер не происходят;
5) в метафазе по экватору располагаются отдельные хромосомы, состоящие из двух хроматид;
6) вначале разъединяются плечи хроматид;
7) в анафазе центромеры делятся и хроматиды расходятся к полюсам;
8) в результате митоза количество хромосом в клетке остаётся неизменным;
9) митоз происходит в гаплоидных, диплоидных и полиплоидных клетках;
10) происходит при образовании соматических клеток, а также при образовании гамет у растений (у которых имеет место чередование поколений).
В мейозе: 1) в процессе мейоза происходит два деления (первое и второе деление мейоза);
2) ДНК синтезируется только перед первым делением мейоза. Между первым и вторым мейотическими делениями репликации ДНК не происходит;
3) профаза-I занимает очень большой промежуток времени и делится на 5 стадий;
4) во время профазы гомологичные хромосомы конъюгируют и могут обмениваться участками (происходит кроссинговер);
5) в метафазе-I по экватору клетки располагаются не отдельные хромосомы, а пары конъюгированных хромосом – биваленты. В метафазе-II по экватору клетки располагаются хромосомы;
6) сила отталкивания проявляется в области центромер;
7) центромеры делятся только во втором делении мейоза; хроматиды расходятся только во втором делении мейоза;
8) количество хромосом в клетке после мейоза уменьшается вдвое;
9) происходит только в диплоидных и полиплоидных клетках;
10) происходит при гамето- и спорогенезе.
12. Прогенез. Сперматогенез. Цитологическая и цитогенетическая характеристика процесса. Строение семенника млекопитающего. Сперматозоид. Взаимосвязь строения и функции.
Прогенез - процесс созревания половых клеток до достижения организмом взрослого состояния.
Сперматогенез – образование половых клеток в гонадах у мужчин.
К пубертатному возрасту некоторые клетки дифференцируются в сперматоциты 1 порядка. Мейоз 1 порядка. При его завершения сперматоцит 1 порядка образовал два сперматоцита второго порядка, каждый из которых имеет удвоенный набор гаплоидных хромосом. В мейозе 2 каждый сперматоцит второго порядка делится с образованием двух сперматид. Сперматида дифференцируется в сперматозоиды. Сперматогенез у самцов является непрерывным процессом.
Семенники – мужские парные половые железы, в которых вырабатываются половые продукты и половые гормоны. У плацентарных млекопитающих они вынесены за пределы полости тела и располагаются в особом органе – мошонке в связи с высокой температурой тела. У млекопитающих с поверхности семенник одет оболочками. Внутренняя часть соединительной тканью разделена на дольки. В каждой дольке расположен извитой семенной каналец. Извитой каналец представляет собой цилиндрическую трубку, которая с одной стороны заканчивается слепо, а с другой соединен с прямыми канальцами. Стенка канальца образована клетками Сертоли (клетки эпителиального происхождения). Клетки Сертоли крупные, их ядро смещено к внешней части, а цитоплазма обращена в просвет канальца. Она представляет собой синтициальную основу для развивающихся половых клеток.
В извитых семенных канальцах происходит развитие сперматозоидов. Это развитие осуществляется волнообразно, как по длине, так и по его поперечному сечению, а именно, у тупого конца находятся клетки на ранних стадиях развития, а ближе к просвету – зрелые сперматозоиды. На поперечном разрезе можно обнаружить последовательно расположенные поколения половых клеток, начиная от сперматогоний у клеток Сертоли до готовых сперматозоидов в центре канальца.
Сперматозоид - мужская половая клетка, мужская гамета, которая служит для оплодотворения женской гаметы, яйцеклетки.
· Головка сперматозоида человека имеет форму эллипсоида, сжатого с боков, с одной из сторон имеется небольшая ямка, поэтому иногда говорят о «ложковидной» форме головки сперматозоида у человека. В головке сперматозоида располагаются следующие клеточные структуры:
1. Ядро, несущее одинарный набор хромосом. Такое ядро называют гаплоидным. После слияния сперматозоида и яйцеклетки (ядро которой также гаплоидно) образуется зигота - новый диплоидный организм, несущий материнские и отцовские хромосомы. При сперматогенезе (развитии сперматозоидов) образуются сперматозоиды двух типов: несущие X-хромосому и несущие Y-хромосому. При оплодотворении яйцеклетки X-несущим сперматозоидом формируется эмбрион женского пола. При оплодотворении яйцеклетки Y-несущим сперматозоидом формируется эмбрион мужского пола. Ядро сперматозоида значительно мельче ядер других клеток, это во многом связано с уникальной организацией строения хроматина сперматозоида (см. протамины). В связи с сильной конденсацией хроматин неактивен - в ядре сперматозоида не синтезируется РНК.
2. Акросома - видоизмененная лизосома - мембранный пузырек, несущий литические ферменты - вещества, растворяющие оболочку яйцеклетки. Акросома занимает около половины объёма головки и по своему размеру приблизительно равна ядру. Она лежит спереди от ядра и покрывает собой половину ядра (поэтому часто акросому сравнивают с шапочкой). При контакте с яйцеклеткой акросома выбрасывает свои ферменты наружу и растворяет небольшой участок оболочки яйцеклетки, благодаря чему образуется небольшой «проход» для проникновения сперматозоида. В акросоме содержится около 15 литических ферментов, основным из который является акрозин.
3. Центросома - центр организации микротрубочек, обеспечивает движение хвоста сперматозоида, а также предположительно участвует в сближении ядер зиготы и первом клеточном делении зиготы.
· Позади головки располагается так называемая «средняя часть» сперматозоида. От головки среднюю часть отделяет небольшое сужение - «шейка». Позади средней части располагается хвост. Через всю среднюю часть сперматозоида проходит цитоскелет жгутика, который состоит из микротрубочек. В средней части вокруг цитоскелета жгутика располагается митохондрион - гигантская митохондрия сперматозоида. Митохондрион имеет спиральную форму и как бы обвивает цитоскелет жгутика. Митохондрион выполняет функцию синтеза АТФ и тем самым обеспечивает движение жгутика.
· Хвост, или жгутик, расположен за средней частью. Он тоньше средней части и значительно длиннее её. Хвост - орган движения сперматозоида. Его строение типично для клеточных жгутиков эукариот.
Все живое на Земле стремится к размножению, которое может проходить по одному из двух путей - митозом или мейозом. Оба эти процесса имеют одинаковые фазы, протекание которых, однако, и конечный результат совершенно разные. Отсюда вытекает логичный вопрос - чем митоз отличается от мейоза?
Представляет собой непрямое клеточное деление. Самый распространенный в природе способ, благодаря которому делятся клетки всей флоры и даже фауны. Появление в нашем организме новых мышечных, нервных, эпителиальных и других клеток обязано именно митозу.
Это бесполый способ размножения, также его иногда называют вегетативный. По своей сути - это клонирование, так как результатом деления является клетка идентичная изначальной.
Что такое мейоз?
Является редукционным делением клеток репродуктивной системы, в процессе которого количество хромосом снижается в 2 раза. Уже из этого определения можно вывести первое и основное отличие данных способов.
Читайте также:
Мейоз протекает не только у многоклеточных, но даже и у простейших организмов, хотя у вторых он может разительно отличаться длительностью и количеством фаз.
Основные отличия двух процессов
В процессе митоза клетка делится с сохранением количества хромосом, чего не происходит в мейозе, который вдобавок проходит в 2 этапа. Как уже было упомянуто выше, названия и количество фаз митоза и мейоза одинаково, отличается лишь их протекание. Поэтому рассматривать отличия следует именно с этого ракурса.
- Интерфаза. Первая фаза обоих процессов протекает идентично, за исключением продолжительности, которая больше у мейоза. Здесь наблюдается синтез важных органических веществ, в том числе необходимых белков. Набор хромосом имеет вид 2n.
- Профаза. В митозе отмечается спирализация хромосом и возникновение особого веретена деления. Данный этап у мейоза более длительный в первом делении, так как помимо указанных процессов происходит кроссинговер, только после которого хромосомы начинают расходиться. Второе деление мейоза в профазе идентично митозу, за исключением в два раза меньшего набора хромосом, участвующих в процессе.
- Метафаза. Следующий пункт тождественен для обоих процессов. В нем происходит распределение центромер строго по экватору.
- Анафаза. Этот этап отличается дальнейшим поведением центромер. Если в митозе они делятся, в результате чего образуется новая хромосома, то в первом делении мейоза ничего подобного не происходит. Имеет место лишь смещение одной из хромосом к противоположному полюсу.
- Телофаза. Конечный этап митоза, в котором происходит разделение цитоплазмы и образование новых полноценных клеток с ядрами. Что касается мейоза, то в первом делении образуются клетки с одинарным (гаплоидным) набором хромосом, которые продолжают вторичное деление до 4 конечных клеток.
В чем биологическое значение каждого?
Главное назначение митоза - точный перенос генетической информации от старой клетки к новой. Это основа для роста и развития всех живых организмов. Более того, благодаря митозу количество хромосом в дочерних клетках сохраняется.
Роль мейоза в природе противоположна, ведь результатом мейоза становится новая комбинация генов. Вместе с тем, мейоз считается основным этапом столь важного для продолжения жизни гематогенеза.