Митоз, его фазы, биологическое значение

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 15Следующая ⇒

Важнейшим компонентом клеточного цикла является митотический (пролиферативный) цикл. Он представляет собой комплекс взаимосвязанных и согласованных явлений во время деления клетки, а также до и после него. Митотический цикл — это совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до следующего и заканчивающихся образованием двух клеток следующей генерации. Кроме этого, в понятие жизненного цикла входят также период выполнения клеткой своих функций и периоды покоя. В это время дальнейшая клеточная судьба неопределенна: клетка может начать делиться (вступает в митоз) либо начать готовиться к выполнению специфических функций.

Основные стадии митоза.

1.Редупликация (самоудвоение) генетической информации материнской клетки и равномерное распределение ее между дочерними клетками. Это сопровождается изменениями структуры и морфологии хромосом, в которых сосредоточено более 90% информации эукариотической клетки.

2.Митотический цикл состоит из четырех последовательных периодов: пресинтетического (или постмитотического) G1, синтетического S, постсинтетического (или премитотического) G2 и собственно митоза. Они составляют автокаталитическую интерфазу (подготовительный период).

Фазы клеточного цикла:

1) пресинтетическая (G1). Идет сразу после деления клетки. Синтеза ДНК еще не происходит. Клетка активно растет в размерах, запасает вещества, необходимые для деления: белки (гистоны, структурные белки, ферменты), РНК, молекулы АТФ. Происходит деление митохондрий и хлоропластов (т. е. структур, способных к ауторепродукции). Восстанавливаются черты организации интерфазной клетки после предшествующего деления;

2) синтетическая (S). Происходит удвоение генетического материала путем репликации ДНК. Она происходит полуконсервативным способом, когда двойная спираль молекулы ДНК расходится на две цепи и на каждой из них синтезируется комплементарная цепочка.

В итоге образуются две идентичные двойные спирали ДНК, каждая из которых состоит из одной новой и старой цепи ДНК. Количество наследственного материала удваивается. Кроме этого, продолжается синтез РНК и белков. Также репликации подвергается небольшая часть митохонд-риальной ДНК (основная же ее часть реплицируется в G2 период);

3) постсинтетическая (G2). ДНК уже не синтезируется, но происходит исправление недочетов, допущенных при синтезе ее в S период (репарация). Также накапливаются энергия и питательные вещества, продолжается синтез РНК и белков (преимущественно ядерных).

S и G2 непосредственно связаны с митозом, поэтому их иногда выделяют в отдельный период — препрофазу.

После этого наступает собственно митоз, который состоит из четырех фаз. Процесс деления включает в себя несколько последовательных фаз и представляет собой цикл. Его продолжительность различна и составляет у большинства клеток от 10 до 50 ч. При этом у клеток тела человека продолжительность самого митоза составляет 1—1, 5 ч, G2-периода интерфазы — 2—3 ч, S-периода интерфазы — 6—10 ч.

Стадии митоза.

Процесс митоза принято подразделять на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 1–3). Так как он непрерывен, смена фаз осуществляется плавно — одна незаметно переходит в другую.

В профазе увеличивается объем ядра, и вследствие спирализации хроматина формируются хромосомы. К концу профазы видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Постепенно растворяются ядрышки и ядерная оболочка, и хромосомы оказываются беспорядочно расположенными в цитоплазме клетки. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется ахроматиновое веретено деления, часть нитей которого идет от полюса к полюсу, а часть — прикрепляется к центромерам хромосом. Содержание генетического материала в клетке остается неизменным (2n2хр).

В метафазе хромосомы достигают максимальной спирализации и располагаются упорядоченно на экваторе клетки, поэтому их подсчет и изучение проводят в этот период. Содержание генетического материала не изменяется (2n2хр).

В анафазе каждая хромосома «расщепляется» на две хроматиды, которые с этого момента называются дочерними хромосомами. Нити веретена, прикрепленные к центромерам, сокращаются и тянут хроматиды (дочерние хромосомы) к противоположным полюсам клетки. Содержание генетического материала в клетке у каждого полюса представлено диплоидным набором хромосом, но каждая хромосома содержит одну хроматиду (2nlxp).

В телофазе расположившиеся у полюсов хромосомы деспирализуются и становятся плохо видимыми. Вокруг хромосом у каждого полюса из мембранных структур цитоплазмы формируется ядерная оболочка, в ядрах образуются ядрышки. Разрушается веретено деления. Одновременно идет деление цитоплазмы. Дочерние клетки имеют диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной хроматиды (2n1хр).

Мейоз.

При оплодотворении происходит процесс слияния гамет, что обеспечивает увеличение вдвое количества ДНК и хромосом в зиготе и всех клетках развивающегося организма. Поэтому, при образовании половых клеток должен существовать механизм уменьшения числа хромосом, компенсирующий их удвоение при оплодотворении. Это осуществляется в процессе мейоза.

Мейоз – (от греч. Meiosis-уменьшение) деление созревания, особый способ деления клеток в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное, основное звено гаметогенеза.

Этот процесс состоит из двух следующих друг за другом делений, сопровождающихся лишь одним удвоением ДНК. Для мейоза характерна рекомбинация генетического материала, обмен участками между гомологичными хромосомами (кроссинговер), и активация транскрипции в профазе первого деления мейоза.

^ I деление мейоза.

Профаза I. Состоит из пяти стадий: лептотена – стадия тонких нитей, зиготена – стадия сливающихся нитей, пахитена – стадия толстых нитей, диплотена – стадия двойных нитей.

Лептотена. Морфологически напоминает раннюю профазу митоза. Хромосомы очень тонкие, двойные, но сестринские хроматиды различить очень трудно. Характерно появление на хромосомах сгустков хроматина – хромомеров, они нанизаны в виде бусинок и располагаются по всей длине хромосомы. Число и расположение хромомеров характерно для каждой хромосомы.

Зиготена - стадия прохождения конъюгации гомологичных хромосом. Гомологичными называют хромосомы. Имеющие одинаковую форму и размер, но одна из них получена от матери, а другая от отца (содержат одинаковый набор генов). Гомологичные хромосомы сближаются и образуют бивалент. Биваленты – парные соединения удвоенных гомологичных хромосом, т.е. каждый бивалент состоит из четырех хроматид. Число бивалентов равно гаплоидному набору хромосом.

В отличие от митоза для профазы мейоза характерен синтез ДНК. На стадии зиготены синтезируется небольшое количество специфической ДНК ( z ДНК). Такая ДНК состоит из уникальных последовательностей, и распределена небольшими участками по длине всех хромосом. Предполагается, что специфические по строению участки zДНК на гомологичных хромосомах узнают друг друга и на некоторое время образуют связи. Позднее эта связь осуществляется с помощью синаптонемального комплекса (тяжи белковой природы).

Пахитена – стадия толстых нитей. В результате конъюгации хромосомы увеличиваются в толщине. Число толстых пахитенных хромосом гаплоидно (1n). Так как пахитенные хромосомы состоят из двух гомологов, каждый из которых состоит из двух хроматид, количество ДНК равно 4с, а число хроматид 4n.

На стадии пахитены происходит чрезвычайно важное событие – кроссинговер. Кроссинговер – взаимный обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами (I эффект мейоза). Генетическим следствием кроссинговера является рекомбинация сцепленных генов, образуются хромосомы, отличные от исходных по набору генов.

В пахитене также происходит синтез небольшого количества ДНК. Этот синтез репаративен.

Кроме того, в пахитенной стадии начинается активация транскрипционной активности хромосом. В это время в женских половых клетках происходит активация рибосомных генов.

Диплотена – стадия двойных нитей. На этой стадии происходит взаимное отталкивание гомологов друг от друга. Сестринские хроматиды становятся различимыми. По мере отталкивания хромосом становятся видны хиазмы – места перекреста и сцепления хромосом.

На стадии диплотены хромосомы приобретают вид «ламповых щеток». Хромосомы в определенных участках приобретают вид парных петель. Петли представляют собой деконденсированные участки активного хроматина. Они содержат большое количество м РНК, которая здесь синтезируется.

^ Наличие активных хромосом в диплотене резко отличает митоз от мейоза, где, начиная с профазы, полностью прекращается синтез РНК. Активация транскрипции в пахитене и диплотене совпадает с ростом формирующихся половых клеток, особенно ооцитов. В это время клетка интенсивно синтезирует и запасает белки, необходимые для обеспечения ранних стадий развития зародыша.

Диакинез – стадия обособления двойных нитей. Характеризуется уменьшением числа хиазм, укорочением бивалентов, потерей ядрышек. Это переходная стадия к собственно делению клетки.

На стадии м етафазы I деления мейоза биваленты выстраиваются по экватору клетки.

В анафазе I деления происходит расхождение хромосом. В отличие от митоза, расходятся не сестринские хроматиды, а гомологичные хромосомы, состоящие из двух сестринских хроматид. Распределение гомологов по клеткам совершенно случайное, при этом происходит перекомбинация хромосом из разных пар ( II эффект мейоза ). Образовавшиеся хромосомные наборы содержат по 2с ДНК и по 2n числа хроматид.

Телофаза I завершает первое деление образованием двух дочерних клеток.

За первым делением следует короткая интерфаза, во время которой не происходит синтеза ДНК, и клетки приступают ко второму делению, которое по морфологии и последовательности не отличается от митотического деления.

Второе деление мейоза состоит из профазы II, метафазы II, анафазы II, и телофазы II. Во время анафазы второго деления в дочерние клетки расходятся сестринские хроматиды (III эффект мейоза – независимое расхождение хроматид). Таким образом, при втором мейотическом делениии клетка 2n2с дает начало двум клеткам с гаплоидным содержанием ДНК и хромосом (nc).

^ В результате всего процесса мейоза после двух делений из одной клетки образуются четыре гаплоидных, каждая из которых отличается по своей генетической конституции.

Таким образом, биологический смысл мейоза заключается в поддержании постоянства числа хромосом у разных поколений организмов, размножающихся половым путем. Половое размножение включает стадию оплодотворения – слияния двух гамет. Без механизма редукции в мейозе число хромосом удваивалось бы в каждом поколении. Кроме того, во время мейоза образуется большое количество гамет, различающихся по набору хромосом. Генетическое разнообразие обеспечивается кроссинговером и независимым комбинированием хромосом и хроматид.

ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ, одно из обобщений в генетике, утверждающее, что наследственные факторы (гены) расположены в хромосомах, передача которых от родителей потомкам обеспечивает в поколениях преемственность свойств и признаков у особей одного вида. Толчком к её развитию послужило переоткрытие в 1900 г. закономерностей наследования, установленных ранее Г. Менделем (см. Менделя законы). Основы хромосомной теории заложили работы немецкого биолога Т. Бовери (1902–1907) и американского цитолога У. Сеттона (1902–1903), которые независимо друг от друга предположили, что гены расположены в хромосомах, и связали закономерности Менделя, описывавшие поведение наследственных факторов, с поведением хромосом во время мейоза и при оплодотворении. Таким образом, были вскрыты соответствия в данных генетики и цитологии. Детальная разработка хромосомной теории была произведена Т.Х. Морганом и его учениками (начиная с 1910 г.). Изучая наследование окраски глаз у плодовой мушки дрозофилы, Морган показал, что цвет глаз – признак, сцепленный с полом, и что по характеру его наследования ген, определяющий этот признак, должен находиться в половой хромосоме (Х-хромосоме). Так экспериментально была доказана связь конкретного гена с конкретной хромосомой. В дальнейшем было установлено, что многие признаки наследуются совместно – как один комплекс. Это означало, что контролирующие их гены образуют группы сцепления. Число таких групп сцепления оказалось равным гаплоидному числу хромосом, постоянному для каждого вида организмов (см. Геном). Затем Морган обнаружил, что сцепленное наследование признаков может нарушаться в результате кроссинговера во время мейоза. На основании детального исследования сцепления генов и кроссинговера (на материале различных мутаций у дрозофилы) Морган и его сотрудники разработали методы определения взаимного положения различных генов на хромосомах и построения генетических карт хромосом. Хромосомная теория нашла подтверждение и дальнейшее развитие в открытии химической природы гена, выяснении строения хромосом и в других достижениях молекулярной генетики.

Генетические карты хромосом

Генетические карты хромосом, схемы относительного расположения сцепленных между собой наследственных факторов — генов. Г. к. х. отображают реально существующий линейный порядок размещения генов в хромосомах (см. Цитологические карты хромосом) и важны как в теоретических исследованиях, так и при проведении селекционной работы, т.к. позволяют сознательно подбирать пары признаков при скрещиваниях, а также предсказывать особенности наследования и проявления различных признаков у изучаемых организмов. Имея Г. к. х., можно по наследованию " сигнального" гена, тесно сцепленного с изучаемым, контролировать передачу потомству генов, обусловливающих развитие трудно анализируемых признаков; например, ген, определяющий эндосперм у кукурузы и находящийся в 9-й хромосоме, сцеплен с геном, определяющим пониженную жизнеспособность растения. Многочисленные факты отсутствия (вопреки Менделя законам) независимого распределения признаков у гибридов второго поколения были объяснены хромосомной теорией наследственности. Гены, расположенные в одной хромосоме, в большинстве случаев наследуются совместно и образуют одну группу сцепления, количество которых, т. о., соответствует у каждого организма гаплоидному числу хромосом (см. Гаплоид). Американский генетик Т. Х. Морган показал, однако, что сцепление генов, расположенных в одной хромосоме, у диплоидных организмов (см. Диплоид) не абсолютное; в некоторых случаях перед образованием половых клеток между однотипными, или гомологичными, хромосомами происходит обмен соответственными участками; этот процесс носит название перекреста, или кроссинговера. Обмен участками хромосом (с находящимися в них генами) происходит с различной вероятностью, зависящей от расстояния между ними (чем дальше друг от друга гены, тем выше вероятность кроссинговера и, следовательно, рекомбинации). Генетический анализ позволяет обнаружить перекрест только при различии гомологичных хромосом по составу генов, что при кроссинговере приводит к появлению новых генных комбинаций. Обычно расстояние между генами на Г. к. х. выражают как % кроссинговера (отношение числа мутантных особей, отличающихся от родителей иным сочетанием генов, к общему количеству изученных особей); единица этого расстояния — морганида — соответствует частоте кроссинговера в 1%.

Г. к. х. составляют для каждой пары гомологичных хромосом. Группы сцепления нумеруют последовательно, по мере их обнаружения. Кроме номера группы сцепления, указывают полные или сокращённые названия мутантных генов, их расстояния в морганидах от одного из концов хромосомы, принятого за нулевую точку, а также место центромеры. Составить Г. к. х. можно только для объектов, у которых изучено большое число мутантных генов. Например, у дрозофилы идентифицировано свыше 500 генов, локализованных в её 4 группах сцепления, у кукурузы — около 400 генов, распределенных в 10 группах сцепления ( рис. 1 ). У менее изученных объектов число обнаруженных групп сцепления меньше гаплоидного числа хромосом. Так, у домовой мыши выявлено около 200 генов, образующих 15 групп сцепления (на самом деле их 20); у кур изучено пока всего 8 из 39. У человека из ожидаемых 23 групп сцепления (23 пары хромосом) идентифицировано только 10, причём в каждой группе известно небольшое число генов; наиболее подробные карты составлены для половых хромосом. У бактерий, которые являются гаплоидными организмами, имеется одна, чаще всего непрерывная, кольцевая хромосома и все гены образуют одну группу сцепления ( рис. 2 ). При переносе генетического материала из клетки-донора в клетку-реципиент, например при конъюгации, кольцевая хромосома разрывается и образующаяся линейная структура переносится из одной бактериальной клетки в другую (у кишечной палочки в течение 110—120 мин). Искусственно прерывая процесс конъюгации, можно по возникшим типам рекомбинантов установить, какие гены успели перейти в клетку-реципиент. В этом состоит один из методов построения Г. к. х. бактерий, детально разработанных у ряда видов. Ещё более детализированы Г. к. х. некоторых бактериофагов. См. также Генетика, Мутация.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒