Тема 2. Митоз, мейоз, гаметогенез.
Митоз, мейоз.
Одним из основных свойств живой материи является способность к воспроизведению. В основе этого лежит размножение клеток. В природе существует 2 способа размножения: бесполое и половое. При бесполом размножении одна клетка делится, воспроизводя целый организм. При половом размножении, как правило, две половые клетки (мужская и женская) соединяются и дают начало одной клетке (зиготе), которая затем уже делится и воспроизводит целый организм. Эти 2 способа размножения имеют и общее – организм развивается из одной клетки.
Деление клеток осуществляется несколькими способами. Основными из них являются митоз и мейоз (таблица №4).
Митоз – это способ деления эукариотических клеток. Каждая из дочерних клеток получает генетический материал, аналогичный материнской клетке. Митоз состоит из двух основных этапов – деления ядра митоза (кариокинеза) и деления цитоплазмы - цитокинеза.
В жизненном цикле клетка проходит 5 последовательных стадий: интерфазу, профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Все эти стадии составляют один митотический цикл, разделяемый на интерфазу и митоз. Между двумя делениями клетки ядро находится в стадии интерфазы. В интерфазе идет синтез веществ, связанных с жизнедеятельностью клетки и ее делением.
Интерфазу, то есть промежуток между делениями клетки делят на три основных этапа.
1. Пресинтетический – следует непосредственно после деления и является самым длительным. Основные процессы этого этапа – подготовка клетки к удвоению хромосом (интенсивный синтез белков и РНК, увеличение числа рибосом и митохондрий, интенсивный рост клетки в целом.
2.Синтетический – усиливается синтез белков и РНК. В этот период удваиваются хромосомы за счет копирования ДНК.
3. Постсинтетический, то есть после удвоения хромосом. Этот этап непосредственно подготавливает клетку к делению. Увеличивается запас энергии и веществ, помогающих в будущем делении клетки.
Первая стадия митоза профаза. В это время хромосомы спирализуются и выглядят как двойные нити. Одна из них материнская, вторая дочерняя. Эти половинки, которые называются сестринскими хроматидами, в профазе не расходятся, а удерживаются вместе общим участком, который называется центромерой. Хромосомы в этой фазе укорачиваются и утолщаются. В цитоплазме происходит формирование веретена и двух полюсов деления. Исчезает ядрышко и оболочка ядра, в результате чего хромосомы оказываются в общей массе цитоплазмы и нуклеоплазмы.
Прометафаза – характеризуется движением хромосом к центру клетки. Это называется метакинез.
Метафаза – наcтупает тогда, когда все хромосомы выстраиваются по центру клетки. Каждая хромосома – это система двух хроматид, соединенных в центромерном районе.
Анафаза – в этой фазе делятся центромеры и сестринские хроматиды, которые уже можно назвать хромосомами, которые расходятся к полюсам. При этом отталкиваются друг от друга в первую очередь центромерные участки, а затем расходятся к полюсам центромерами вперед и сами хромосомы. Расхождение хромосом происходит очень быстро. И у каждого полюса скапливается одинаковое количество хромосом. Оно точно соответствует общему числу хромосом исходной клетки.
Телофаза – дочерние хромосомы деспирализуются. Образуется оболочка ядра. Затем восстанавливается ядрышко. Ядро восстанавливается в обратном порядке по сравнению с тем, что происходило в профазе.
Деление тела – цитокинез начинается вслед за делением ядра. Деление происходит путем перешнуровывания цитоплазмы по экватору материнской клетки от периферии к центру. Этим и заканчивается митоз. Продолжительность всего митотического цикла зависит от типа ткани, физиологического состояния организма, внешних факторов (t˚, светового режима) и колеблется в пределах от нескольких минут до нескольких суток.
Митоз – это деление соматических клеток человеческого организма (клеток, образующих тело).
Второй тип деления – мейоз, при котором образуются и размножаются половые клетки. Каждая половая клетка обладает гаплоидным, то есть половинчатым набором хромосом. Поэтому мейоз состоит из двух последовательных делений: первое уменьшает число хромосом вдвое (клетки из диплоидных становятся гаплоидными) – редуционное деление. И второе деление эквационное (уравнительное), при котором клетки сохраняют гаплоидный набор хромосом. То есть из одной базовой клетки получается 4 дочерних в два этапа. Цикл мейоза состоит из ряда последовательных фаз. Фазы, относящиеся к первому делению, обозначают «I», а ко второму (II). Так образуются половые клетки. Образование мужских половых клеток называется сперматогенез, женских половых клеток – оогенез.
Особенностью мейоза является то, что идет случайное распределение отцовских и материнских хромосом между клетками и обмен хромосом отдельными участками.
Таблица №4. Деление клеток (исходная клетка 2n, 4с)
| Тип деления | Фазы | Набор хромосом в результате деления n- хромосомы, с - хроматиды | Число и качество клеток, образующихся в результате деления |
| Митоз (соматические клетки) | Интерфаза Профаза Метафаза Анафаза Телофаза | 2n, 2с (диплоидный) хромосомы однохромотидные | Две диплоидные клетки |
| Мейоз: Мейоз I (редукционное деление); Мейоз II (эквационное деление) | Интерфаза Профаза I Метафаза I Анафаза I Телофаза I Метафаза II Анафаза II Телофаза II | 1n, 2с (гаплоидный), хромосомы двухроматидные 1n, 1с (гаплоидный), хромосомы однохроматидные | Две гаплоидные Две гаплоидные Всего: четыре гаплоидные клетки |
Гаметогенез человека.
Процесс образования половых клеток называется гаметогенез (рисунок - 3). Он происходит в половых органах – гонадах. Гаметогенез имеет определенные особенности, зависящие от пола организма, в котором происходит мейоз.
Формирование мужских половых клеток называется сперматогенезом, женских - оогенезом. Первичные половые клетки выделяются из желточного мешка на 27-й день развития эмбриона и мигрируют к месту, где будут образовываться половые органы. На 46-й день внутриутробного развития гонады начинают дифференцироваться и становятся либо яичниками, либо семенниками.
В этот период в мужских гонадах первичные половые клетки становятся сперматогониями, которые непрерывно делятся путем митоза вплоть до периода половой зрелости. Примерно в 15-16 лет сперматогонии начинают вступать в мейоз. Предварительно они увеличиваются в размерах, превращаясь в сперматоциты I порядка, содержащие 46 удвоенных хромосом. Сперматоциты I порядка вступают в первое деление мейоза, которое заканчивается сперматоцитов II порядка. Сперматоциты II порядка содержат по 23 хромосомы, состоящие из двух хроматид. После второго деления мейоза из сперматоцитов II порядка образуются сперматиды, содержащие по 23 хромосомы. В сперматидах каждая хромосома уже имеет только одну хроматиду.
Сперматиды в дальнейшем приобретают некоторые структурные особенности: изменяется состояние клеточной оболочки, появляются шейка и хвост, которые будут обеспечивать движение клетки. Полностью сформировавшаяся мужская половая клетка получила название сперматозоид. Таким образом, в результате сперматогенеза из одной диплоидной сперматогонии формируется четыре равноценных гаплоидных сперматозоида. Деление сперматогониев и образование сперматозоидов продолжается вплоть до затухания деятельности гонад в старости. За весь период половой зрелости мужской организм продуцирует не менее 500 миллиардов гамет.
Процесс созревания женских половых клеток (оогенез) имеет свои особенности. После первичной половой дифференцировки в женском организме образуются оогонии, которые претерпевают несколько митотических делений. Начиная со второго месяца внутриутробного развития женского плода, ряд оогоний вступают в первое деление мейоза, превращаясь в ооцит I порядка. Деление ооцитов I порядка останавливается сразу после диплотены. На этой стадии мейоз в женских гонадах прекращается на 7-м месяце внутриутробного развития плода вплоть до периода полового созревания.
После рождения девочки все оставшиеся оогонии дегенерируют. В период половой зрелости, обычно ежемесячно один ооцит I порядка заканчивает первое деление мейоза, после которого образуются две разные клетки: одна большая, содержащая почти всю цитоплазму от ооцита I порядка, - ооцит II порядка, и маленькая, фактически включающая только ядро с 23 хромосомами, - первое полярное тельце.
Затем ооцит II порядка вступает во второе деление мейоза. Мейоз II порядка тоже приводит к возникновению двух неравных гаплоидных клеток: крупной – яйцеклетки, и маленькой – второго полярного тельца. В оогенезе мейоз II порядка заканчивается в момент проникновения сперматозоида в цитоплазму яйцеклетки. После проникновения сперматозоида в яйцеклетку в течение нескольких часов не происходит слияния женского и мужского гаплоидных наборов хромосом, хотя они сразу окружаются общей ядерной мембраной. Этот период является очень чувствительным ко всем внешним повреждающим воздействиям.
Рисунок 3 – Схема гаметогенеза человека
Оплодотворение.
Биологический смысл оплодотворения состоит в объединении ядерного материала мужской и женской гамет, что приводит к объединению отцовских и материнских генов, восстановлению диплоидного набора хромосом, а также активации яйцеклетки, то есть стимуляции её к зародышевому развитию. Соединение яйцеклетки со сперматозоидом обычно происходит в воронкообразно расширенной части маточной трубы в течение первых 12 часов после овуляции.
Семенная жидкость, попадая во влагалище женщины при половом сношении, обычно содержит от 60 до 150 млн. сперматозоидов, которые, благодаря движениям со скоростью 2-3 мм в минуту, постоянным волнообразным сокращениям матки и труб и щелочной среде, уже спустя 1-2 минуты после полового акта достигают матки, а через 2-3 часа - концевых отделов маточных труб, где обычно и происходит слияние с яйцеклеткой.
Различают моноспермное (в яйцеклетку проникает один сперматозоид) и полиспермное (в яйцеклетку проникают два и более сперматозоидов, но с ядром яйцеклетки сливается только одно ядро сперматозоида) оплодотворение.
Сохранению активности спермиев во время прохождения их в половых путях женщины способствует слабощелочная среда шеечного канала матки, заполненного слизистой пробкой. Прохождению сперматозоидов через слизистую пробку шеечного канала способствует резко повышающаяся в дни овуляции проницаемость слизи. В остальные дни менструального цикла слизистая пробка имеет значительно меньшую проницаемость.
Многие сперматозоиды, находящиеся в половых путях женщины, могут сохранять способность к оплодотворению 48-72 часа (иногда даже до 4-5 суток).
Овулировавшая яйцеклетка сохраняет жизнеспособность примерно 24 часа. Учитывая это, наиболее благоприятным временем для оплодотворения считается период разрыва созревшего фолликула с последующим рождением яйцеклетки, а также 2-3-й день после овуляции.
Женщинам, применяющим физиологический метод контрацепции, следует помнить о том, что сроки овуляции могут колебаться, а жизнеспособность яйцеклетки и сперматозоидов может быть значительно больше.
Вскоре после оплодотворения начинается дробление зиготы и образование зародыша. Зигота является тотипотентной (то есть, способной породить любую другую) клеткой. Термин ввёл немецкий ботаник Э. Страсбургер.
Дальнейшее развитие зародыша представлено в таблице №5 «Развитие зародыша».
Таблица №5. Развитие зародыша
| Периоды развития | Характеристика процесса |
| Зигота | Оплодотворенная яйцеклетка с диплоидным набором хромосом |
| Бластула | Многократное дробление зиготы. Образование однослойного многоклеточного зародыша с полостью. |
| Гаструла | Впячивание бластулы. Образование двух зародышевых листов: эктодермы и энтодермы. Образование вторичной полости. Закладка третьего зародышевого листа. |
| Нейрула | Образование нервной трубки и трех зародышевых листов: эктодермы, энтодермы и мезодермы. |
| Органогенез Развитие плода | Начало развития тканей и систем органов. Эктодерма – развитие кожи, нервной системы, органов чувств. Мезодерма – развитие скелета, мышц, сердца, кровеносной системы и крови, почек, половых органов. Эндодерма – развитие пищеварительной системы, печени, поджелудочной железы, легких. |
Практическая работа №2.
Задание 1. Внимательно ознакомьтесь с теоретическим материалом и заполните соответствующие графы таблицы №6 «Митотический цикл»
Таблица №6. Митотический цикл
| Фазы | Процесс, происходящий в клетке | |
| Интерфаза | Пресинтетический период | |
| Синтетический период | ||
| Постсинтетический период | ||
| Фазы митоза | Профаза | |
| Метафаза | ||
| Анафаза | ||
| Телофаза |
Задание 2. Внимательно ознакомьтесь с теоретическим материалом, изложенным в выше (гаметогенез человека), и заполните соответствующие графы таблицы №7 «Характеристика периодов гаметогенеза человека»
Таблица №7. Характеристика периодов гаметогенеза человека
| Период гаметогенеза | Схема сперматогенеза | Схема оогенеза | Тип деление | Стадии развития гамет | Набор хромосом и ДНК |
| |||||
Контрольно-измерительные материалы
1. Сколько дочерних клеток образуется из одной материнской в процессе митоза:
А. 1;
Б. 2;
В. 3;
Г. 4.
2. Сколько фаз включает в себя митотический цикл клетки:
А. 3;
Б. 4;
В. 5;
Г. 6.
3. Способ деления соматических клеток называется:
А. митоз;
Б. мейоз;
В. гаметогенез;
Г. оогенез.
4. Что такое интерфаза:
А. деление ядра клетки;
Б. деление цитоплазмы;
В. промежуток между двумя делениями;
Г. митотический цикл.
5. В какой фазе происходит удвоение хромосом:
А. в интерфазу;
Б. в профазу;
В. в метафазу;
Г. в анафазу.
6. Каким набором обладает соматическая клетка:
А. гаплоидным;
Б. диплоидным;
В. полиплоидным;
Г. моноплоидным.
7. Из скольких делений состоит мейоз:
А. из 1;
Б. из 2;
В. из 3;
Г. из 4.
8. В какой фазе мейоза происходит конъюгация хромосом:
А. профаза I;
Б. метафаза I;
В. анафаза I.
9.В результате какого типа деления клетки получается 4 гаплоидные клетки:
А. митоза;
Б. мейоза;
В. амитоза.
10. Какой набор хромосом имеют сперматозоиды:
А. 1n – 22;
Б. 1n – 23;
В. 2n – 44;
Г. 2n – 46.
11.На какой стадии гаметогенеза происходит мейотическое деление клеток:
А. на стадии роста;
Б. на стадии размножения;
В. на стадии созревания;
Г. на стадии формирования.
12. Сколько яйцеклеток образуется в процессе мейотического деления ооцита I порядка:
А. 1;
Б. 2;
В. 3;
Г. 4.
13. Что означает термин «тотипотентность зиготы»:
А. не способность к дальнейшему развитию;
Б. не способность к оплодотворению;
В. способность к оплодотворению;
Г. способность к развитию любой другой клетки.
14. Какая стадия развития зародыша соответствует образованию трех зародышевых листов:
А. зигота;
Б. бластула;
В. гаструла;
Г. нейрула.
15. Из какого зародышевого листа образуется нервная система:
А. эктодерма;
Б. мезодерма;
В. эндодерма.
