Хромосомные наборы из соматических клеток мужских и женских особей каждого вида имеют отличие в одной паре хромосом. Эта пара - половые хромосомы, или гетерохромосомы. Все остальные пары хромосом, одинаковые у обоих полов, имеют общее название - аутосомы.
Например, в кариотипе человека пары хромосом, одинаковые у женщин и у мужчин - это аутосомы. Одна пара - двадцать третья - у мужчин и женщин определяет пол. Поэтому хромосомы, которые в нее входят, называются половыми. Эта пара у женщин - гомологичная (XX), а у мужчин -гетерологичная (ХУ). Именно поэтому половые хромосомы называют еще гетеросомами (от «гетеро» - разный).
Правила хромосом
1. Правило постоянства числа хромосом. Число хромосом в клетке постоянно у каждого вида. То есть, число хромосом и характерные особенности их строения - видовой признак. Например, у человека -46, шимпанзе - 48, мушки дрозофилы- 8 хромосом (общая формула -2а).
2. Правило парности хромосом. Хромосомы в диплоидном наборе образуют пары. Те хромосомы, которые относятся к одной паре, называются гомологичными. Эти хромосомы сходны по размерам, форме, по расположению центромер и по набору входящих в них генов. В каждой паре одна хромосома - от матери, другая - от отца.
3. Правило индивидуальности. Хромосомы разных пар отличаются друг от друга: по размеру; форме; месту расположения перетяжек; по исчерченности, выявляемой специальной окраской - ДОХ (дифференциальное окрашивание хромосом); по набору входящих в них генов. Набор генов одной пары больше не повторяется ни в какой другой паре.
4. Правило непрерывности хромосом. Каждое новое поколение имеет такое же строение и форму хромосом, как и предыдущее, т.е., хромосомы из поколения в поколение сохраняют относительно постоянную форму и строение. Это возможно, так как ДНК способна к редупликации (самоудвоению).
Таким образом, можно дать еще одно определение кариотипа: кариотип - это совокупность хромосом соматической клетки, которая характеризуется постоянным для вида числом хромосом, их размером, формой и расположением в них центромер.
Единственным способом образования новых клеток является деление предшествующих клеток.
Жизненный, или клеточный, цикл - это время от возникновения клетки до ее смерти или образования из нее новых клеток, то есть - это ее онтогенез.
Митотический цикл - это жизнь клетки от момента ее появления до конца ее деления с образованием двух новых клеток. (Это один из вариантов клеточного цикла).
Есть клетки, у которых жизненный цикл совпадает с митотическим циклом. Это клетки, которые все время делятся. Например, клетки кожного эпидермиса, семенников (обновляющиеся клеточные комплексы). Существуют клетки, у которых отсутствует митотический цикл (стабильные клеточные комплексы). Эти клетки теряют способность делиться (например, эритроциты, нейроны). Но было доказано, что такое состояние может быть обратимым. Например, если из яйцеклетки лягушки удалить ядро и пересадить туда ядро нервной клетки, оно начинает делиться. Исходя из этого, можно сделать вывод, что цитоплазма яйцеклетки содержит вещества, которые активируют митоз.
Описано три способа деления эукариотических клеток:
- амитоз (прямое деление);
- митоз (непрямое деление);
- мейоз (редукционное деление).
Амитоз - это деление, при котором интерфазное ядро делится путем перетяжки. Конденсация хромосом при этом отсутствует. Иногда после деления ядер цитоплазма не делится и образуются двуядерные клетки. Амитоз описан в клетках скелетной мускулатуры, клетках кожного эпителия, а также в патологически измененных клетках (клетках опухолей).
Митоз - это деление, при котором из одной клетки с диплоидным набором хромосом образуются две клетки также с диплоидным набором каждая. Этот способ деления является универсальным для эукариотических клеток. Он лежит в основе бесполого размножения организмов. За счет митоза идет рост тканей и целого организма.
Митоз является частью митотического цикла. Весь митотический цикл состоит из интерфазы (подготовка клетки к делению) + митоз (собственно деление).
Интерфаза имеет три периода:
1. Пресинтетический - в 1
2. Синтетический - Б
3. Постсинтетический - 02
Пресинтетический период - клетка растет, накапливает АТФ, РНК, белки, необходимые для образования клеточных органоидов. В этот период клетка приобретает черты, свойственные данной ткани. В этом периоде клетка имеет 2п,2с (п - гаплоидный набор хромосом, с - количество ДНК в одной хроматиде): т.е., двойной набор однохроматидных хромосом.
Синтетический период - происходит редупликация ДНК, продолжает снтезироваться РНК, синтезируются белки-гистоны. В конце этого периода клетка имеет 2n,4c: _ т.е., двойной набор двухроматидных хромосом. (Число хромосом не изменяется, но каждая хромосома состоит уже из двух хроматид).
Постсинтетический период - синтезируются РНК, белки, необходимые для процесса деления, АТФ, ДНК митохондрий. Удваивается число митохондрий, пластид, центриолей. В этом периоде клетка имеет 2п,4с.,
В интерфазе ядро округлое, с четкими границами. В нем видны одно или несколько ядрышек, Хромосомы - в виде хроматина, находятся в кариоплазме.
Митоз делят на четыре основные фазы:
1.профаза;
2.метафаза;
3.анафаза;
4.телофаза.
Профаза. Ядро заметно увеличено. Исчезают ядрышки. Происходит. спирализация (конденсация, или укладка) хромосом: в начале профазы они тонкие и длинные, в конце - толстые и короткие. Центриоли расходятся к полюсам клетки, начинает образовываться веретено деления. В конце профазы видно что каждая хромосома состоит из 2-х хроматид. Профаза считается оконченной, когда оболочка ядра распадается на фрагменты и хромосомы выходят в цитоплазму. В этом периоде клетка имеет 2п,4с. В каждой хромосоме - две хроматиды.
Между профазой и метафазой можно еще выделять прометафазу, когда идет движение хромосом в сторону экватора.
Метафаза. Хромосомы располагаются на экваторе клетки. К каждой кроматиде в области центромеры прикрепляется нить веретена деления. Хроматиды каждой хромосомы остаются соединенными только в области центромеры. В этом периоде клетка имеет 2п,4с (диплоидный набор двухроматидных хромосом).
Анафаза. Хроматиды каждой хромосомы отсоединяются друг от друга в области центромеры. Нити веретена деления сокращаются и растягивают хроматиды (теперь они называются дочерними хромосомами) к разным полюсам клетки. В этом периоде клетка имеет 4п,4с (тетраплоидный набор однохроматидных хромосом).
Рис. Фазы митоза
Телофаза. В начале фазы происходит деспирализация (раскручивание) хромосом. Вокруг каждого скопления хромосом образуется ядерная оболочка. Появляются ядрышки. Ядра приобретают вид интерфазных ядер. Постепенно исчезает веретено деления. В конце телофазы происходит цитокинез, или цитотомия (деление цитоплазмы материнской клетки). Из одной материнской клетки образуются две дочерние. Они переходят в интерфазное состояние. В этом периоде каждая новая клетка имеет 2п,2с (двойной набор и однохроматидных хромосом). Т.е., начиная с анафазы и до S-периода интерфазы каждая хромосома состоит из одной хроматиды.
Биологическое значение митоза
1.Сохранение постоянного числа хромосом в дочерних клетках (каждая новая клетка имеет такой же набор хромосом, как и исходная - 2п).
2.Равномерное распределение наследственной информации между дочерними клетками.
3. Рост нового организма при бесполом размножении за счет появления новых клеток тела.
4. Регенерация (восстановление) утраченных клеток и органов.
Мейоз - это процесс, состоящий из двух последовательных делений. Из одной клетки с диплоидным набором хромосом (2п,4с) образуются четыре гаплоидные клетки (п, с). То есть, во время мейоза в клетке происходит редукция (уменьшение) числа хромосом.
В каждом из делений мейоза выделяют те же фазы, что и в митозе: профазу (I и II), метафазу (I иІІ), анафазу (I и II) и телофазу (I и II). Но продолжительность отдельных фаз и происходящие в них процессы значительно отличаются от митоза. Главные отличия такие:
1. Профаза I - самая продолжительная. Поэтому ее делят на пять стадий:
- лептотена: хромосомы начинают спирализоваться;
- зиготена: гомологичные хромосомы конъюгируют (плотно прилегают друг к другу по всей длине). Такие пары называются бивалентами;
-пахитена: конъюгация завершается полностью. Между конъюгирующими хромосомами может произойти обмен гомологичными участками (содержащими одни и те же гены) - кроссинговер (или рекомбинация). Участки обмена называются хиазмами;
-диплотена: между гомологичными хромосомами возникают силы отталкивания сначала в области центромер, а затем в других участках. Становится заметным, что эти фигуры состоят из четырех элементов. То есть биваленты превращаются в тетрады. Хроматиды в тетрадах сцеплены в области теломер и хиазм;
- диакинез: хромосомы максимально спирализованы, биваленты обосабливаются и размещаются их по периферии ядра. Тетрады укорачиваются, исчезают ядрышки.
Мейоз напоминает митоз, но имеет свои особенности:
а) В профазе первого мейоза в отличие от митоза происходит конъюгация Гомологичных хромосом. Между гомологичными хромосомами происходит обмен гомологичными участками, генами (кроссинговер).
о) В метафазе I на экваторе клетки находятся соединенные парами (одна напротив другой) гомологичные хромосомы (рис. 34,метафаза I).
в) Во время анафазы расходятся к полюсам не хроматиды (как при митозе), а двухроматидные гомологи (рис. 34, анафаза I). Поэтому, после первого мейотического деления дочерние клетки (овоцит П и одно полярное тельце при овогенезе и сперматоциты II при сперматогенезе) имеют гаплоидный набор хромосом, но каждая хромосома состоит из двух хроматид.
г) Интерфаза II очень короткая, т.к редупликация ДНК не нужна (хромосомы - двухроматидные).
Остальные фазы мейоза II проходят довольно быстро, не отличаясь от митотического деления. В анафазе парные сестринские хроматиды расходятся по одной в дочерние клетки. Таким образом, при мейозе из одной исходной клетки (2п,4с) образуются четыре клетки - каждая с гаплоидным набором однохроматидных хромосом (п,с).
Биологическое значение мейоза
1. Во время мейоза в новых клетках образуется гаплоидный набор хромосом. А при оплодотворении (слиянии гамет) восстанавливается диплоидный набор хромосом. Таким образом, у всех организмов сохраняется постоянство числа хромосом из поколения в поколение.
2. Во время двух делений мейоза происходит перекомбинация
генетического материала вследствие
а) кроссинговера;
б)независимого расхождения отцовских и материнских хромосом. Возникает комбинативная изменчивость - это дает разнообразный материал для эволюции.
3 ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ПОЛОВЫХ КЛЕТОК (ГАМЕТ)
Яйцеклетки неподвижны, обычно имеют шаровидную форму. Они содержат все клеточные органоиды, характерные для соматических клеток. Но в яйцеклетках содержатся вещества (например, желток), необходимые для развития зародыша. В зависимости от количества желтка яйцеклетки делят на разные типы. Например, изолецитальная яйцеклетка: в ней желтка мало и он равномерно распределяется по всей цитоплазме (яйцеклетка ланцетника, человека). У рептилий и птиц желтка очень много (телолецитальная яйцеклетка) и он находится у одного из полюсов клетки. Этот полюс называется вегетативным (питающим). Противоположный полюс, где желтка мало, несет ядро клетки и называется анимальным. От количества и распределения желтка зависит тип дробления зиготы.
Самая крупная яйцеклетка - у акул (50 - 70 мм в диаметре), у курицы -более 30 мм(без белковых оболочек), у коровы - 100 мкм, у человека - 130-200 мкм.
Яйцеклетки покрыты оболочками, которые выполняют защитную и другие функции (например, у плацентарных млекопитающих - для врастания зародыша в стенку матки).
Сперматозоиды - мелкие клетки (у человека имеют длину 50-70 мкм) состоят из головки, шейки и хвоста. В головке находится ядро и небольшое количество цитоплазмы. На переднем конце головки располагается акросома. Это видоизмененный комплекс Гольджи. В нем находятся ферменты, которые разрушают оболочки яйца при оплодотворении. В шейке расположены митохондрии и центриоли. Одна центриоль проксимальная (ближняя), она вместе с головкой проникает в яйцеклетку. Другая - дистальная (дальняя), к ней прикрепляется хвост. Митохондрии шейки обеспечивают его энергией. В состав хвоста входят микротрубочки.
Особенности половых клеток:
Имеют гаплоидный набор хромосом.
В половых клетках по сравнению с соматическими отмечается менее интесивный метаболизм. В яйцеклетках накапливаются вещества, необходимые для развития зародыша.
Сперматозоиды никогда не делятся, а яйцеклетка после внедрения в нее сперматозоида отделяет вторичный полоцит (т.е., только теперь в ней завершается второе деление мейоза).