Занятие 6 Деление клетки Размножение. Размножение клеток.

Занятие 6
Деление клетки
Размножение. Размножение клеток. Размножение – размножение важнейшее свойство
живых организмов. Размножение на уровне молекул – репликация ДНК, размножение на уровне
органоидов – деление митохондрий, хлоропластов, размножение на уровне клеток – деление клеток.
Размножение лежит в основе передачи наследственной информации, размножения, роста, развития,
регенерация.
Носителями наследственной информации являются хромосомы. Хромосомный набор,
характерный для вида, – кариотип; хромосомный набор, полученный от родителей, – генотип;
хромосомный набор гаметы – геном. Диплоидный набор хромосом – двойной, гаплоидный набор
– одинарный. Соматические клетки – это клетки с двойным набором хромосом (все клетки
организма, кроме половых). Половые клетки (гаметы) – это клетки с одинарным набором
хромосом.
Способы деления клеток: амитоз – прямое деление; митоз – непрямое деление; мейоз –
деление, характерное для созревания половых клеток.
Амитоз, или прямое деление, - способ деление ядра соматических клеток пополам путем
перетяжки без образования хромосом. Если при амитозе не происходит деления цитоплазмы, то
происходит возникновение дву- и многоядерных клеток. Данный способ деления характерен для
некоторых простейших, специализированных клеток и для патологически измененных клеток.
Распределение ядерного материала оказывается случайным и неравномерным. Возникшие дочерние
клетки наследственно неполноценны.
Митоз
Период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки
(включая само деление) до собственного деления или смерти называют жизненным (клеточным)
циклом.
Продолжительность жизненного цикла у различных клеток многоклеточного организма
различны. Так, клетки нервной ткани после завершения эмбрионального периода перестают делиться
и функционируют на протяжении всей жизни организма, а затем погибают. Клетки же зародыша на
стадии дробления, завершив одно деление, сразу приступают к следующему, минуя все остальные
фазы.
Митоз – непрямое деление соматических клеток, в результате которого сначала происходит
удвоение, а затем равномерное распределение наследственного материала между дочерними
клетками.
Биологическое значение митоза: в результате митоза образуются две клетки, каждая из
которых содержит столько же хромосом, сколько их было в материнской. Дочерние клетки
генетически идентичны родительской. Число клеток в организме увеличивается, что представляет
собой один из главных механизмов роста. Многие виды растений и животных размножаются
бесполым путем при помощи одного лишь митотического деления клеток, таким образом, митоз
лежит в основе размножения. Митоз обеспечивает регенерацию утраченных частей и замещение
клеток, происходящее в той или иной степени у всех многоклеточных организмов.
Митотический цикл состоит из интерфазы и митоза. Длительность митотического цикла у
разных организмов различно. Непосредственно на деление клетки уходит обычно1 – 3 часа, то есть
основную часть жизни клетка находится в интерфазе.
Интерфазой
называют
промежуток
между
двумя
клеточными
делениями.
Продолжительность интерфазы, как правило, составляет до 90% всего клеточного цикла. Состоит из
трех периодов:
1) пресинтетический, или G1;
2) синтетический, или S;
3) постсинтетический, или G2.
Начальный отрезок интерфазы – пресинтетический период (2n2c, где n – количество хромосом, c
– количество ДНК), период роста, начинающийся непосредственно после митоза. Синтетический
период по продолжительности очень различен: от нескольких минут у бактерий до 6 – 12 часов в
клетках млекопитающих. Во время синтетического периода происходит самое главное событие
интерфазы – удвоение молекул ДНК. Каждая хромосома становится двухроматидной, а число
хромосом не изменяется (2n4c).
Постсинтетический период. Обеспечивает подготовку клетки к делению, а также
характеризуется интенсивными процессами синтеза белков, входящих в состав хромосом;
синтезируются ферменты и энергетические вещества, необходимые для обеспечения процесса
деления клетки.
Митоз состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы.
Профаза (2n4c). В результате спирализации хромосомы уплотняются, укорачиваются. В
поздней профазе хорошо видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных
центромерой. Хромосомы начинают передвигаться к клеточному экватору. Формируется веретено
деления, ядерная оболочка исчезает, а хромосомы свободно располагаются в цитоплазме. Ядрышко
обычно исчезает чуть раньше.
Метафаза (2n4c). Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора, образуя так называемую
метафазную пластинку. Центромеры хромосом лежат строго в плоскости экватора. Нити веретена
прикрепляются к центромерам хромосом.
Анафаза (4n4c). 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 (2n2c). Хромосомы концентрируются на полюсах клетки и деспирализуются.
Веретено деления разрушается. Вокруг хромосом формируется оболочка ядер дочерних клеток,
затем происходит деление цитоплазмы клетки (или цитокенез).
При делении животных клеток на их поверхности в плоскости экватора появляется борозда,
которая, постепенно углубляясь, разделяет материнскую клетку на две дочерние. У растений деление
происходит путем образования так называемой клеточной пластинки, разделяющей цитоплазму. Она
возникает в экваториальной области веретена, а затем растет во все стороны, достигая клеточной
стенки.
Митоз
Этапы
Процессы, происходящие в
клетке
Состояние и динамика
хромосом
Интерфаза
Синтез белков, РНК, АТФ,
редупликация ДНК,
увеличение количества
органоидов; завершение роста
клеток.
Хромосомы деспирализованы.
В начале интерфазы
хромосомы однохроматидные,
после редупликации ДНК
становятся двухроматидными,
число хромосом – 2n.
Профаза
Деление и расхождение
центриолей к полюсам клетки,
образование нитей
ахроматинового веретена;
исчезновение ядрышка,
растворение ядерной
оболочки.
Спирализация (закручивание)
хромосом, утолщение и
укорачивание их.
Метафаза
Завершение формирования
нитей веретена деления,
прикрепление нитей к
хромосомам.
Хромосомы располагаются по
экватору.
Анафаза
Снижение вязкости
цитоплазмы; сокращение
нитей веретена деления.
Расхождение хроматид каждой
хромосомы к полюсам клетки.
Телофаза
Образование двух дочерних
ядер, деление цитоплазмы –
образование двух клеток с
диплоидным набором
хромосом (2n).
Дочерние хромосомы
однохроматидные. Происходит
деспирализация хромосом
(раскручивание), хромосомы
становятся неразличимыми
(невидимыми).
Мейоз
Мейоз – основной этап образования половых клеток. Во время мейоза происходит не одно,
как при митозе, а два следующих друг за другом клеточных деления. Первому мейотическому
делению предшествует интерфаза 1 – фаза подготовки клетки к делению, в это время происходят те
же процессы, что и в интерфазе.
Первое мейотическое деление называют редукционным, так как именно во время этого
деления происходит уменьшение числа хромосом, образуются две клетки с гаплоидным набором
хромосом, однако хромосомы остаются двухроматидными. Сразу же после первого деления мейоза
совершается второе – по типу обычного митоза. Это деление называют эквационным, так как во
время этого деления хромосомы становятся однохроматидными.
Биологическое значение мейоза: благодаря мейозу происходит редукция числа хромосом. Из
одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидных. Благодаря мейозу образуются генетически
различные гаметы, так как в процессе мейоза трижды происходит перекомбинация генетического
материала: за счет кроссинговера; случайного и независимого расхождения хромосом, а затем и
хроматид. Благодаря мейозу поддерживается постоянство диплоидного набора хромосом в
соматических клетках.
Первое и второе деление мейоза складывается из тех же фаз, что и митоз, но сущность
изменений в наследственном аппарате другая.
Первое деление мейоза.
Профаза 1 (2n4c). Самая продолжительная и сложная фаза мейоза. Состоит из ряда
последовательных стадий. Гомологичные хромосомы начинают притягиваться друг к другу
сходными участками и коньюгируют. Коньюгацией называют процесс тесного сближения
гомологичных хромосом. Пару коньюгирующих хромосом называют бивалентом (от лат. «bi» –
двойной) или тетрадой (от греч. «tetrados» - четверка), так как каждый бивалент состоит из
четырех хроматид. В дальнейшем между хромосомами, составляющими бивалент, происходит
кроссинговер – обмен одинаковыми (гомологичными), то есть содержащими одни и те же гены
участками. Кроссинговер приводит к первой во время мейоза рекомбинации генов. В конце профазы
1 исчезают ядерная оболочка и ядрышко. Биваленты перемещаются к экватору клетки. Центриоли
перемещаются к полюсам клетки, и формируется веретено деления.
Метафаза 2 (2n4c). Заканчивается формирование веретена деления. Спирализация хромосом
максимальна. Биваленты располагаются в плоскости экватора. Причем центромеры гомологичных
хромосом обращены к разным полюсам клетки. Расположение бивалентов в экваториальной
плоскости равновероятное и случайное, то есть каждая из отцовских и материнских хромосом может
быть повернута в сторону того или другого полюса. Это создает предпосылки для второй за время
мейоза рекомбинации генов. Нити веретена прикрепляются к центромерам хромосом.
Анафаза 1 (1n2c). К полюсам расходятся целые хромосомы, а не хроматиды, как при митозе.
Число хромосом уменьшается в два раза, хромосомный набор становится гаплоидным. Каждая
хромосома состоит из двух хроматид, то есть по прежнему содержит удвоенное количество ДНК.
Телофаза 1 (1n2c). На непродолжительное время образуется ядерная оболочка. Затем
происходит деление цитоплазмы (у животных) или образуется разделяющая клеточная стенка (у
растений).
Второе деление мейоза.
Интерфаза 2 (1n2c). Характерна только для животных клеток. Репликация ДНК не
происходит.
Вторая стадия мейоза включает также профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Она протекает
так же, как митоз.
Профаза 2 (1n2c). Хромосомы спирализуются, ядерная мембрана и ядрышки разрушаются,
центриоли перемещаются к полюсам клетки, формируется веретено деления.
Метафаза 2 (1n2c). Хромосомы выстраиваются по экватору клетки, образуется метафазная
пластинка и веретено деления, нити веретена прикрепляются к центромерам.
Анафаза 2 (2n2c). Центромеры хромосом делятся, хроматиды становятся самостоятельными
хромосомами, и нити веретена деления растягивают их к полюсам клетки. Число хромосом в клетке
становится диплоидным, но на каждом полюсе формируется гаплоидный набор. Поскольку в
метафазе 2 хроматиды хромосом располагаются в плоскости экватора случайно, в анафазе
происходит третья рекомбинация генетического материала клетки.
Телофаза 2 (1n1c). Нити веретена деления исчезают, хромосомы деспирализуются, вокруг
них восстанавливается ядерная оболочка, делится цитоплазма.
Таким образом, в результате двух последовательных делений мейоза диплоидная клетка дает
начало четырем дочерним, генетически различным клеткам с гаплоидным набором хромосом.
Сравнительная характеристика митоза и мейоза
Митоз
Сходство
Мейоз
1) Имеют одинаковые фазы деления.
2) Перед митозом и мейозом в синтетический период интерфазы
происходит репликация (ДНК), образование двухроматидных хромосом
(число хромосом 2n, молекул ДНК – 4с).
Различия
1. Одно деление клетки.
1. Два следующих друг за другом деления,
первое из которых является
редукционным, т.е. приводит к
уменьшению (редукции) числа хромосом.
2. Нет коньюгации
хромосом.
2. Гомологичные хромосомы
коньюгируют, т.е. тесно сближаются.
Между гомологичными хромосомами
может происходить кроссинговер (обмен
участками хромосом).
3. В метафазе по экватору
клетки выстраиваются
двухроматидные
хромосомы.
3. В метафазе мейоза 1 по экватору
выстраиваются пары гомологичных
двухроматидных хромосом.
4. В анафазе к полюсам
расходятся хроматиды
каждой хромосомы. В
период интерфазы перед
каждым делением
происходит удвоение
молекул ДНК.
4. В анафазе мейоза 1 деления к полюсам
расходятся целые хромосомы. Набор
хромосом в дочерних клетках – 1n, число
молекул ДНК – 2с (хромосомы
двухроматидные). В анафазе 2 деления к
полюсам клетки расходятся хроматиды
каждой хромосомы (как при митозе).
Набор хромосом в дочерних клетках – 1n,
число молекул ДНК – 1с (хромосомы
однохроматидные). Между 1-м и 2-м
делением в интерфазе нет удвоения
молекул ДНК.
5. Образуется две дочерние
клетки с диплоидным
набором хромосом
(хромосомы
однохроматидные, 2n2c).
5. Образуются 4 сперматозоида или одна
яйцеклетка с гаплоидным набором
хромосом (хромосомы однохроматидные,
1n1c).
Вопросы и определения:
1. Что такое жизненный цикл клетки?
2. Дайте определение митотического цикла клетки.
3. Какой набор хромосом несут соматические и половые клетки?
4. В чем смысл удвоения молекул ДНК?
5. В чем заключается подготовка клетки к митозу?
6. Что означает запись 2n2с?
7. Последовательно опишите фазы митоза. В чем его биологическое значение?
8. В какую фазу митоза происходит расхождение хромосом?
9. Укажите отличия мейоза от митоза.
10. Дайте определение коньюгации и кроссинговеру.
11. Что такое цитокинез?
12. Определите тип и фазу деления клетки, изображенной на рисунке. Какие процессы
происходят в этой фазе?