Оплодотворение: Ключевой этап развития организма
Оплодотворение – это процесс объединения мужской и женской половых клеток (сперматозоида и яйцеклетки), который приводит к образованию зиготы и последующему развитию нового организма. У животных процесс оплодотворения происходит перед осеменением. Во время оплодотворения происходит активация яйца, слияние хромосом и определение пола будущего организма. Этот процесс способствует созданию новых уникальных комбинаций генетических факторов, поддерживая генетическое разнообразие вида.
Типы оплодотворения у животных
У животных выделяют два основных типа оплодотворения – моно- и полиспермию.
Моноспермия: при этом типе оплодотворения в яйцо проникает только один сперматозоид благодаря механизму блокирования полиспермии. Этот тип оплодотворения распространен у животных с наружным и внутренним осеменением.
Полиспермия: у животных с этим типом оплодотворения в яйцо проникает несколько сперматозоидов. Такой процесс характерен для некоторых групп животных с внутренним осеменением.
Процесс оплодотворения у животных
Схожие процессы оплодотворения происходят у животных с разными типами оплодотворения. Для того, чтобы сперматозоид мог проникнуть в яйцо, необходимо преодолеть яйцевые оболочки. У некоторых животных яйца имеют микропиле – специальные отверстия в оболочке, через которые происходит проникновение. Для других животных сперматозоиды используют акросому для проникновения в яйцо.
В результате успешного оплодотворения, сперматозоид и яйцо соединяются, образуя зиготу, которая становится исходной клеткой для будущего организма.
Начальные процессы при оплодотворении
У млекопитающих овулировавшее яйцо окружено несколькими слоями фолликулярных клеток яйценосного бугорка. Сперматозоиды преодолевают этот барьер с помощью фермента гиалуронидазы, содержащегося в акросоме, который разрушает желатиноообразную массу, связывающую фолликулярные клетки.
Капацитация сперматозоидов
Сперматозоиды млекопитающих становятся способными к осуществлению акросомной реакции лишь после капацитации – физиологических изменений.
Активация яйца
Слияние плазмалемм гамет приводит к активации яйца, которая проявляется кортикальной реакцией. Далее происходит вовлечение сперматозоида в цитоплазму и появление семенной звезды вокруг центросомы сперматозоида.
Преобразования в цитоплазме
Ядро сперматозоида преобразуется в пузыревидный мужской пронуклеус, его хроматин разрыхляется. Оба пронуклеуса (мужской и женский) сближаются в центре яйца.
Объединение геномов
Пронуклеусы могут сливаться, образуя единое ядро – синкарион, или оставаться в контакте до момента разрушения их оболочек при переходе яйца к дроблению. Объединение родительских геномов на веретене первого деления дробления завершает процесс оплодотворения.
С такими процессами при оплодотворении млекопитающих можно понять, насколько сложны и удивительны механизмы размножения в мире природы.
Оплодотворение животных: основные процессы и механизмы
В зрелых половых клетках практически все жизненные процессы подавлены. Клетки фактически находятся в анабиотическом состоянии, и только процесс оплодотворения у большинства видов животных при нормальном развитии является толчком к стремительному выходу яйцеклетки из анабиоза.
Определение оплодотворения
Есть несколько определений процесса оплодотворения. Оплодотворение представляет собой процесс слияния двух половых клеток (гамет) друг с другом, в результате чего возникает новая особь, генетические потенции которой берут начало от обоих родителей. Существует также определение, согласно которому оплодотворение это побуждение яйца к развитию, вызванное сперматозоидом, с передачей яйцу наследственного материала отца.
Основные процессы оплодотворения
Конкретные особенности оплодотворения сильно варьируют у различных видов животных, но происходящие при этом события обычно сводятся к трем основным процессам:
Дистантное взаимодействие гамет
Этот этап направлен на повышение вероятности встречи сперматозоида с яйцеклеткой. При наружном осеменении многие животные выметывают гаметы непосредственно в окружающую среду – воду. Для препятствия оплодотворению яйцеклеток одного вида спермиями другого вида сформировались механизмы видоспецифического привлечения спермиев и их активации.
Контактное взаимодействие гамет
Происходит при непосредственном соприкосновении поверхностей гамет. Этот этап является количественным контролем оплодотворения.
Слияние генетического материала и активация метаболизма
После вхождения сперматозоида в яйцеклетку происходит слияние генетического материала спермия и яйца, а также активация метаболизма яйца для вступления на путь развития.
Механизмы оплодотворения
В процессе эволюции сформировались механизмы видоспецифического привлечения и активации спермиев. Видоспецифическое привлечение осуществляется посредством хемотаксиса – движения сперматозоидов по градиенту концентрации некоторых специфических веществ, выделяемых яйцеклеткой. Этот механизм был доказан для многих видов животных.
Таким образом, оплодотворение животных является сложным процессом, включающим несколько этапов и механизмов, обеспечивающих успешное соединение гамет и создание нового организма.
Хемотаксис и реотаксис спермиев
В 80-х годах XX века из яиц морского ежа было выделено два хемотаксических агента – пептиды сперакт и резакт. Сперакт, состоящий из 10 аминокислотных остатков, выделен из яиц Strongylocentrotus purpuratus. Резакт, содержащий 14 аминокислотных остатков, был выделен из студенистой оболочки яиц Arbacia punctulata.
У млекопитающих, когда оплодотворение происходит в верхних отделах яйцевода, ключевую роль в дистантном взаимодействии гамет играет реотаксис – способность спермиев двигаться против встречного течения жидкости в маточных трубах.
Контактное взаимодействие гамет
Контактное взаимодействие гамет проходит через несколько последовательных этапов, первым из которых является акросомная реакция. У морского ежа этот процесс наиболее подробно изучен. Акросомную реакцию сперматозоидов морского ежа инициируют сульфатированные полисахариды студенистой оболочки яйца, вызывая цепочку внутриклеточных процессов.
Процесс акросомной реакции
На начальном этапе акросомной реакции происходит слияние наружной мембраны акросомы с плазматической мембраной сперматозоида, за которым следует разрыв этих мембран и экзоцитоз содержимого акросомного пузырька. Спермиолизины, выходящие из разрушенной акросомы, расщепляют третичную оболочку яйцеклетки.
После выхода ионов водорода из головки спермия начинается следующий этап акросомной реакции – формирование акросомного выроста. Это происходит благодаря выпячиванию внутреннего участка мембраны акросомы за счет полимеризации глобулярного актина и образования актиновых микрофиламентов. Полимеризация актина, вероятно, блокируется регуляторным белком до активации спермия, а увеличение внутриклеточного рН снимает этот блок.
Акросомный вырост вступает в контакт с наружной поверхностью яйцеклетки – желточной оболочкой. Именно этот момент является решающим для взаимного «видоспецифического» узнавания яйцеклетки и сперматозоида. Это узнавание осуществляется благодаря комплементарному взаимодействию особого белка биндина, встроенного в мембрану акросомного выроста (бывшей внутренней мембраны акросомного пузырька) с соответствующим рецептором на желточной оболочке яйцеклетки. Впервые биндин был выделен из акросомы спермиев Strongylocentrotus purpuratus. Он представляет собой нерастворимый белок с молекулярной массой 30 500 Да, имеющий видоспецифические различия. Проведенные биохимические исследования показали, что биндины близкородственных видов морских ежей различны. В свою очередь из желточных оболочек яиц морских ежей был выделен крупный гликопротеиновый комплекс, который специфическим образом связывал биндин.
Следующий этап процесса оплодотворения – реакция активации метаболизма яйцеклетки. Вслед за реакцией видоспецифического узнавания (образования комплекса между биндином и его рецептором на желточной оболочке яйцеклетки) образуется бугорок оплодотворения. С началом этого процесса можно говорить об активации яйцеклетки. Формирование бугорка оплодотворения сопровождается (как и в случае формирования акросомного выроста) полимеризацией актина. Мембраны верхушки акросомной нити и бугорка оплодотворения сливаются и образуют канал, по которому содержимое сперматозоида поступает в яйцеклетку. Участок мембраны сперматозоида встраивается в мембрану яйцеклетки, где может сохраняться длительное время (у морского ежа иммунохимическими методами этот участок мембраны сперматозоида был обнаружен на стадии личинки).
Дальнейшая реакция активации яйцеклетки связана с функционированием инозитолфосфатной системы, все компоненты которой в неактивном состоянии присутствуют в плазматической мембране яйцеклетки.
Инозитолфосфатная система контролируется белковыми компонентами, локализованными на плазматической мембране яйцеклетки, которые изменяют свою конформацию после взаимо-действия биндина с мембранным рецептором. Такими компонентами являются G-белок и фосфолипаза С. После контакта сперматозоида с плазматической мембраной яйцеклетки в первые секунды независимо от инозитольной системы регуляции резко повышается проницаемость плазматической мембраны яйцеклетки для ионов Na , что в конечном итоге обеспечивает быстрый блок полиспермии (рисунок 2).
Рисунок 2 – Схема событий, происходящих при контакте сперматозоида с плазматической мембраной яйцеклетки морского ежа в процессе оплодотворения
Основными компонентами инозитолфосфатной системы являются производное углевода инозита – фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат (PIP) и фермент фосфолипаза С. Под действием фосфолипазы С фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат расщепляется на две составляющие: диацилглицерол (DAG) и инозитолтрифосфат (IР3). Диацилглицерол остается в плазматической мембране яйцеклетки, а инозитолтрифосфат выходит в цитоплазму яйцеклетки. Диацилглицерол с помощью другого мембранного фермента – протеинкиназы С – оказывает влияние на Na/H-обменник, обеспечивая отток ионов Н из цитоплазмы и повышение концентрации ионов Na+ в яйцеклетке. Отток ионов Н+ из цитоплазмы приводит к повышению внутриклеточного рН, что в свою очередь стимулирует ускорение синтеза белка в цитоплазме яйцеклетки и синтез ДНК в мужском и женском ядрах.
В свою очередь инозитолтрифосфат, выходящий из мембраны в цитоплазму яйцеклетки, воздействует на эндоплазматический ретикулум – внутриклеточное «депо» кальция и усиливает высвобождение ионов Са в цитоплазму. Выход Са в цитоплазму активирует целый ряд метаболических реакций. Одна из них заключается в увеличении потребления яйцом кислорода. Интересен тот факт, что такое потребление кислорода практически не связано с митохондриями, которые используют его для синтеза АТФ. Вероятнее всего, кислород используется для окисления таких компонентов яйца, как, например, оболочка оплодотворения. Одновременно окисляются различные липиды цитоплазмы. Кроме того, ионы Са, как и повышение внутриклеточного рН, оказывают влияние на интенсивность синтеза ДНК в мужском и женском ядрах. Другим кальцийзависимым эффектом является активация фермента НАД-киназы, которая превращает НАД в НАДФ, что в конечном итоге обеспечивает синтез новых липидных компонентов плазматической мембраны, необходимых для последующего процесса дробления (рисунок 3).
Рисунок 3 – Схема событий, происходящих при последовательной активации фосфолипазы С и протеинкиназы, приводящих к изменению внутриклеточного pH в оплодотворенной яйцеклетке
И наконец, повышение концентрации ионов Са в цитоплазме яйцеклетки приводит к экзоцитозу кортикальных альвеол – кортикальной реакции, которая создает медленный блок полиспермии. Кортикальные альвеолы – это многочисленные пузырьки, содержащиеся в кортикальном слое неоплодотворенной яйцеклетки. При экзоцитозе кортикальных альвеол (кортикальной реакции) из них в пространство между плазматической мембраной яйцеклетки и плотно прилегающей к ней желточной оболочкой высвобождаются следующие вещества:
– вителлиновая деламиназа – протеолитический фермент, разрывающий связи между плазматической мембраной и желточной оболочкой;
– сперморецепторная гидролаза – протеолитический фермент, освобождающий осевшую на желточной оболочке сперму от связей с этой оболочкой;
– гликопротеид, который насасывает воду в пространство между желточной оболочкой и плазматической мембраной, вызывая тем самым их расслоение и образование перивителлинового пространства между ними;
– фактор, способствующий затвердению желточной оболочки, которую теперь называют оболочкой оплодотворения;
– у иглокожих, кроме того, из кортикальных альвеол высвобождается структурный белок гиалин, который участвует в формировании гиалинового слоя, располагающегося под плазматической мембраной.
Таким образом, активация яйцеклетки включает комплекс протекающих в ней реакций, которые затрагивают практически все компоненты яйца.
Поздние реакции оплодотворения включают активацию синтеза ДНК и белкового синтеза. Известно, что еще в период оогеза в самой яйцеклетке запасается большое количество мРНК, до активации находящейся в заблокированном состоянии. В результате комплекса процессов, происходящих при активации яйца (повышение концентрации Са, повышения внутриклеточного рН), происходит деблокирование функции мРНК и начинается интенсивный синтез белка. Такое резкое повышение белкового синтеза начинается уже через несколько минут после проникновения сперматозоида в яйцеклетку. Итак, можно говорить, что интенсивность белкового синтеза не зависит от синтеза новых мРНК в яйцеклетке, а определятся наличием уже запасенных «материнских» мРНК.
Первый и второй блоки мейоза
Полное завершение мейоза без участия сперматозоида, внедряющегося в яйцеклетку, происходит лишь у немногих видов животных (некоторые кишечнополостные, иглокожие – морской еж). У большинства животных он останавливается в конце профазы (как правило, на стадии диплотены-диакинеза). В этом случае говорят о наступлении первого блока мейоза, который у многих позвоночных может продолжаться годами.
Первый блок мейоза снимается во время овуляции. Однако и после этого мейоз все же не доходит до конца – наступает второй блок мейоза (послеовуляторный блок), краткосрочный. Для завершения мейоза необходимо снять этот блок активирующим агентом. В роли такого агента могут выступать сперматозоид, изменение солевого состава окружающей среды, механическое воздействие и т. д.
Всех животных можно поделить на три группы в зависимости от того, как эти остановки мейоза накладываются на процессы овуляции и оплодотворения:
мейоз останавливается один раз – на стадии диакинеза и снимается при оплодотворении (губки, некоторые представители плоских, круглых и кольчатых червей, моллюски и т. д.);
первый блок мейоза наступает на стадии диплотены-диакинеза профазы мейоза и снимается во время овуляции; второй блок мейоза наступает на метафазе первого деления созревания и снимается при оплодотворении (некоторые губки, немертины, моллюски, практически все насекомые; к такому типу блока мейоза относятся также яйцеклетки млекопитающих – собаки, лисицы и лошади, у которых первый блок мейоза наступает еще в эмбриональный период развития);
первый блок мейоза наступает на стадии диплотены-диакинеза профазы мейоза также в эмбриональный период развития и снимается овуляцией; второй блок мейоза наступает на стадии метафазы второго деления созревания, т. е. уже после выделения первого полярного тельца (практически все хордовые; у летучих мышей второй блок мейоза приходится на анафазу второго деления созревания).
Процессы, протекающие после вхождения сперматозоида в яйцеклетку
У большинства животных сперматозоид входит в яйцеклетку целиком, включая хвостовую часть; у некоторых видов жгутик остается на поверхности. Но даже если жгутик с окружающими его митохондриями проникли в яйцеклетку, они не играют никакой роли в процессах дальнейшего развития, а разрушаются в цитоплазме яйцеклетки. Митохондрии передаются зародышу только материнским организмом.
Попав в цитоплазму яйцеклетки, сперматозоид сразу же пово-рачивается шейкой по ходу дальнейшего движения. Хроматин в ядре сперматозоида деспирализуется. Ядерная оболочка распадается на мелкие пузырьки, что делает возможным воздействие цитоплазмы яйца на компактный хроматин спермия.
Белки, благодаря которым хроматин спермия сохраняет конденсированное неактивное состояние, заменяются на белки сходного типа яйцевого происхождения. Эта замена приводит к деконденсации хроматина спермия.
Хроматиновая масса удерживает остатки исходной оболочки сперматического ядра на своей поверхности. Вскоре по периферии этой массы выстраиваются новые мембранные пузырьки, которые соединяются с участками прежней оболочки и образуют новую оболочку мужского ядра. Ядро сперматозоида теперь называют мужским пронуклеусом.
Когда в яйцеклетке завершатся деления мейоза, хроматин ядра также деспирализуется. Женское ядро получает название женского пронуклеуса.
Прежде чем сблизиться, пронуклеусы проделывают сложные движения («танец пронуклеусов»). Сначала мужской пронуклеус движется внутрь яйца перпендикулярно поверхности и независимо от положения женского пронуклеуса. Этот отрезок пути называют «дорожкой проникновения». Затем оба пронуклеуса двигаются навстречу друг другу по «дорожке копуляции».
Движения мужского пронуклеуса осуществляются, по-видимому, благодаря «отталкиванию» микротрубочек, растущих от «мужской» центриоли, которая находится в непосредственной близости к мужскому пронуклеусу, от поверхностного слоя яйцеклетки. У морского ежа процесс сближения пронуклеусов продолжается около 1 ч. На стадии пронуклеусов синтезируется ДНК и удваивается хромосомный набор за счет формирования сестринских хроматид. В конце стадии пронуклеусов начинается конденсация хромосом – идет подготовка к первому делению мейоза. Оболочка пронуклеусов разрушается и конденсированные биваленты занимают свои места на веретене первого деления мейоза. Таким образом, 5-фаза первого клеточного цикла в жизни нового организма приходится на стадию пронуклеусов.
Непосредственно после проникновения сперматозоида в яйцеклетку или воздействия активирующего агента начинаются интенсивные перемещения цитоплазмы яйцеклетки. Такие перемещения, а в некоторых случаях и возможные расслоения цитоплазмы, носят название ооплазматической сегрегации. Перемещения играют решающую роль для дальнейшего развития зародыша: в результате ооплазматической сегрегации намечаются основные элементы его пространственной организации.
У различных видов животных ооплазматическая сегрегация протекает по-разному. У некоторых кишечнополостных происходит лишь расслоение цитоплазмы яйцеклетки (ооплазмы) на внешний ободок (эктоплазму) и внутреннюю массу (эндоплазму). Основная масса питательных веществ сосредоточена именно в эндоплазме. У морского ежа, например, до оплодотворения под всей поверхностью яйца рассеян красный пигмент эхинохром. После оплодотворения он концентрируется в виде пояска в экваториальной зоне.
В этих случаях сегрегационные процессы симметричны по меньшей мере относительно полярной оси яйца. Часто сегрегация нарушает полярную симметрию и приводит к выделению в яйцеклетке меридиональной плоскости, которая соответствует сагиттальной плоскости и проходящей в ней дорсовентральной оси будущего зародыша. Примером может быть яйцеклетка амфибий.
Решающим для определения дорсовентральности будущего организма является поворот оплодотворения. Он заключается в повороте в вертикальной плоскости примерно на 30° всего кортикального слоя яйцеклетки относительно внутренней массы желтка. Плоскость поворота совпадает с сагиттальной плоскостью, а направление – с вентродорсальным направлением: та сторона яйцеклетки, с которой частицы кортикального слоя опускаются, становится вентральной, а сторона, на которую они поднимаются, дорсальной.
Поворот оплодотворения контролируется цитоскелетными компонентами – микротрубочками. Применение микротрубочковых ядов (колхицин и т. д.) подавляет поворот оплодотворения. Микротрубочки, которые осуществляют поворот оплодотворения, растут из центриоли, внесенной сперматозоидом. Микротрубочки, достигшие в процессе своего роста вегетативного кортекса, полимеризуются очень активно и загибаются своими внешними концами (плюс-концами) по направлению будущего поворота кортекса. У ряда животных для ооплазматической сегрегации важное значение имеет сократимость актиновых микрофиламентов кор¬тикального слоя яйцеклетки, которая активируется ионами Са.
1. Дайте определение термину «сингамия».
2. Опишите процессы, происходящие при оплодотверении яйцеклетки сперматозоидом.
3. Какие процессы происходят при акросомной реакцции?
4. Что такое ооплазматическая сегрегация?
Клетка — генетическая единица живого. Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции. Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки. Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз. Митоз — деление соматических клеток. Мейоз. Фазы митоза и мейоза. Развитие половых клеток у растений и животных. Деление клетки — основа роста, развития и размножения организмов. Роль мейоза и митоза
Клетка — генетическая единица живого
Несмотря на то, что нуклеиновые кислоты являются носителем генетической информации, реализация этой информации невозможна вне клетки, что легко доказывается на примере вирусов. Данные организмы, содержащие зачастую только ДНК или РНК, не могут самостоятельно воспроизводиться, для этого они должны использовать наследственный аппарат клетки. Даже проникнуть в клетку без помощи самой клетки они не могут, кроме как с использованием механизмов мембранного транспорта или благодаря повреждению клеток. Большинство вирусов нестабильно, они гибнут уже после нескольких часов пребывания на открытом воздухе. Следовательно, клетка является генетической единицей живого, обладающей минимальным набором компонентов для сохранения, изменения и реализации наследственной информации, а также ее передачи потомкам.
Бульшая часть генетической информации эукариотической клетки сосредоточена в ядре. Особенностью ее организации является то, что, в отличие от ДНК прокариотической клетки, молекулы ДНК эукариот не замкнуты и образуют сложные комплексы с белками — хромосомы.
Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции
Хромосома (от греч. хрома — цвет, окраска и сома — тело) — это структура клеточного ядра, которая содержит гены и несет определенную наследственную информацию о признаках и свойствах организма.
Иногда хромосомами называют и кольцевые молекулы ДНК прокариот. Хромосомы способны к самоудвоению, они обладают структурной и функциональной индивидуальностью и сохраняют ее в ряду поколений. Каждая клетка несет всю наследственную информацию организма, но в ней работает только небольшая часть.
Основой хромосомы является двухцепочечная молекула ДНК, упакованная с белками. У эукариот с ДНК взаимодействуют гистоновые и негистоновые белки, тогда как у прокариот гистоновые белки отсутствуют.
Лучше всего хромосомы видны под световым микроскопом в процессе деления клетки, когда они в результате уплотнения приобретают вид палочковидных телец, разделенных первичной перетяжкой — центромерой — на плечи. На хромосоме может быть также и вторичная перетяжка, которая в некоторых случаях отделяет от основной части хромосомы так называемый спутник. Концевые участки хромосом называются теломерами. Теломеры препятствуют слипанию концов хромосом и обеспечивают их прикрепление к оболочке ядра в неделящейся клетке. В начале деления хромосомы удвоены и состоят из двух дочерних хромосом — хроматид, скрепленных в центромере.
По форме различают равноплечие, неравноплечие и палочковидные хромосомы. Размеры хромосом существенно варьируют, однако средняя хромосома имеет размеры 5 $×$ 1,4 мкм.
В некоторых случаях хромосомы в результате многочисленных удвоений ДНК содержат сотни и тысячи хроматид: такие гигантские хромосомы называются политенными. Они встречаются в слюнных железах личинок дрозофилы, а также в пищеварительных железах аскариды.
Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки
Согласно клеточной теории клетка является единицей строения, жизнедеятельности и развития организма. Таким образом, такие важнейшие функции живого, как рост, размножение и развитие организма обеспечиваются на клеточном уровне. Клетки многоклеточных организмов можно разделить на соматические и половые.
Соматические клетки — это все клетки тела, образующиеся в результате митотического деления.
Изучение хромосом позволило установить, что для соматических клеток организма каждого биологического вида характерно постоянное число хромосом. Например, у человека их 46. Набор хромосом соматических клеток называют диплоидным (2n), или двойным.
Половые клетки, или гаметы, — это специализированные клетки, служащие для полового размножения.
В гаметах содержится всегда вдвое меньше хромосом, чем в соматических клетках (у человека — 23), поэтому набор хромосом половых клеток называется гаплоидным (n), или одинарным. Его образование связано с мейотическим делением клетки.
Количество ДНК соматических клеток обозначается как 2c, а половых — 1с. Генетическая формула соматических клеток записывается как 2n2c, а половых — 1n1с.
В ядрах некоторых соматических клеток количество хромосом может отличаться от их количества в соматических клетках. Если это различие больше на один, два, три и т. д. гаплоидных набора, то такие клетки называют полиплоидными (три-, тетра-, пентаплоидными соответственно). В таких клетках процессы метаболизма протекают, как правило, очень интенсивно.
Количество хромосом само по себе не является видоспецифическим признаком, поскольку различные организмы могут иметь равное количество хромосом, а родственные — разное. Например, у малярийного плазмодия и лошадиной аскариды по две хромосомы, а у человека и шимпанзе — 46 и 48 соответственно.
Хромосомы человека делятся на две группы: аутосомы и половые хромосомы (гетерохромосомы). Аутосом в соматических клетках человека насчитывается 22 пары, они одинаковы для мужчин и женщин, а половых хромосом только одна пара, но именно она определяет пол особи. Существует два вида половых хромосом — X и Y. Клетки тела женщины несут по две X-хромосомы, а мужчин — X и Y.
Кариотип — это совокупность признаков хромосомного набора организма (число хромосом, их форма и величина).
Условная запись кариотипа включает общее количество хромосом, половые хромосомы и возможные отклонения в наборе хромосом. Например, кариотип нормального мужчины записывается как 46, XY, а кариотип нормальной женщины — 46, XX.
Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз
Клетки не возникают каждый раз заново, они образуются только в результате деления материнских клеток. После разделения дочерним клеткам требуется некоторое время для формирования органоидов и приобретения соответствующей структуры, которая обеспечила бы выполнение определенной функции. Этот отрезок времени называется созреванием.
Промежуток времени от появления клетки в результате деления до ее разделения или гибели называется жизненным циклом клетки.
У эукариотических клеток жизненный цикл делится на две основные стадии: интерфазу и митоз.
Интерфаза — это промежуток времени в жизненном цикле, в который клетка не делится и нормально функционирует. Интерфаза делится на три периода: G1-, S- и G2-периоды.
G1-период (пресинтетический, постмитотический) — это период роста и развития клетки, в который происходит активный синтез РНК, белков и других веществ, необходимых для полного жизнеобеспечения вновь образовавшейся клетки. К концу этого периода клетка может начать готовиться к удвоению ДНК.
В S-периоде (синтетическом) происходит сам процесс репликации ДНК. Единственным участком хромосомы, который не подвергается репликации, является центромера, поэтому образовавшиеся молекулы ДНК не расходятся полностью, а остаются скрепленными в ней, и в начале деления хромосома имеет X-образный вид. Генетическая формула клетки после удвоения ДНК — 2n4c. Также в S-периоде происходит удвоение центриолей клеточного центра.
G2-период (постсинтетический, премитотический) характеризуется интенсивным синтезом РНК, белков и АТФ, необходимых для процесса деления клетки, а также разделением центриолей, митохондрий и пластид. До конца интерфазы хроматин и ядрышко остаются хорошо различимыми, целостность ядерной оболочки не нарушается, а органоиды не изменяются.
Часть клеток организма способна выполнять свои функции в течение всей жизни организма (нейроны нашего головного мозга, мышечные клетки сердца), а другие существуют непродолжительное время, после чего погибают (клетки кишечного эпителия, клетки эпидермиса кожи). Следовательно, в организме должны постоянно происходить процессы деления клеток и образования новых, которые замещали бы отмершие. Клетки, способные к делению, называют стволовыми. В организме человека они находятся в красном костном мозге, в глубоких слоях эпидермиса кожи и других местах. Используя эти клетки, можно вырастить новый орган, добиться омоложения, а также клонировать организм. Перспективы использования стволовых клеток совершенно ясны, однако морально-этические аспекты этой проблемы все еще обсуждаются, поскольку в большинстве случаев используются эмбриональные стволовые клетки, полученные из убитых при аборте зародышей человека.
Продолжительность интерфазы в клетках растений и животных составляет в среднем 10– 20 часов, тогда как митоз занимает около 1–2 часов.
В ходе последовательных делений в многоклеточных организмах дочерние клетки становятся все более разнообразными, поскольку в них происходит считывание информации со все большего числа генов.
Некоторые клетки со временем перестают делиться и погибают, что может быть связано с завершением выполнения определенных функций, как в случае клеток эпидермиса кожи и клеток крови или с повреждением этих клеток факторами окружающей среды, в частности возбудителями болезней. Генетически запрограммированная смерть клетки называется апоптозом, тогда как случайная гибель — некрозом.
Митоз — деление соматических клеток. Фазы митоза
Митоз — способ непрямого деления соматических клеток.
Во время митоза клетка проходит ряд последовательных фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, как и в материнской клетке.
Митоз делится на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Профаза — наиболее длительная стадия митоза, в процессе которой происходит конденсация хроматина, в результате чего становятся видны X-образные хромосомы, состоящие из двух хроматид (дочерних хромосом). При этом исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки, и начинает формироваться ахроматиновое веретено (веретено деления) из микротрубочек. В конце профазы ядерная оболочка распадается на отдельные пузырьки.
В метафазе хромосомы выстраиваются по экватору клетки своими центромерами, к которым прикрепляются микротрубочки полностью сформированного веретена деления. На этой стадии деления хромосомы наиболее уплотнены и имеют характерную форму, что позволяет изучить кариотип.
В анафазе происходит быстрая репликация ДНК в центромерах, вследствие которой хромосомы расщепляются и хроматиды расходятся к полюсам клетки, растягиваемые микротрубочками. Распределение хроматид должно быть абсолютно равным, поскольку именно этот процесс обеспечивает поддержание постоянства числа хромосом в клетках организма.
На стадии телофазы дочерние хромосомы собираются на полюсах, деспирализуются, вокруг них из пузырьков формируются ядерные оболочки, а во вновь образовавшихся ядрах возникают ядрышки.
После деления ядра происходит деление цитоплазмы — цитокинез, в ходе которого и происходит более или менее равномерное распределение всех органоидов материнской клетки.
Таким образом, в результате митоза из одной материнской клетки образуется две дочерних, каждая из которых является генетической копией материнской (2n2c).
В больных, поврежденных, стареющих клетках и специализированных тканях организма может происходить несколько иной процесс деления — амитоз. Амитозом называют прямое деление эукариотических клеток, при котором не происходит образования генетически равноценных клеток, так как клеточные компоненты распределяются неравномерно. Он встречается у растений в эндосперме, а у животных — в печени, хрящах и роговице глаза.
Деление клетки — основа роста, развития и размножения организмов. Роль митоза и мейоза
Если у одноклеточных организмов деление клетки приводит к увеличению количества особей, т. е. размножению, то у многоклеточных этот процесс может иметь различное значение. Так, деление клеток зародыша, начиная с зиготы, является биологической основой взаимосвязанных процессов роста и развития. Подобные же изменения наблюдаются у человека в подростковом возрасте, когда число клеток не только увеличивается, но и происходит качественное изменение организма. В основе размножения многоклеточных организмов также лежит деление клетки, например при бесполом размножении благодаря этому процессу из части организма происходит восстановление целостного, а при половом — в процессе гаметогенеза образуются половые клетки, дающие впоследствии новый организм. Следует отметить, что основные способы деления эукариотической клетки — митоз и мейоз — имеют различное значение в жизненных циклах организмов.
В результате митоза происходит равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками — точными копиями материнской. Без митоза было бы невозможным существование и рост многоклеточных организмов, развивающихся из единственной клетки — зиготы, поскольку все клетки таких организмов должны содержать одинаковую генетическую информацию.
В процессе деления дочерние клетки становятся все более разнообразными по строению и выполняемым функциям, что связано с активацией у них все новых групп генов вследствие межклеточного взаимодействия. Таким образом, митоз необходим для развития организма.
Этот способ деления клеток необходим для процессов бесполого размножения и регенерации (восстановления) поврежденных тканей, а также органов.
Тест "Деление клетки. Митоз. Мейоз"
23.12.2023. Тест. Биология, 9 класс
Все тесты в этом разделе разработаны пользователями сайта для собственного использования. Администрация сайта не проверяет возможные ошибки, которые могут встретиться в тестах.
Список вопросов теста
Вопрос 1
Что такое митоз?
Варианты ответов
деление всех клеток
деление клетки одноклеточного организма
деление прокариотической клетки
деление эукариотической клетки, при котором образуются две дочерние клетки с идентичным родительскому набором хромосом
Вопрос 2
Какие клетки в организме человека НЕ способны к делению?
Варианты ответов
остеобласты
фибробласты
нейроны
клетки росткового слоя эпидермиса
Вопрос 3
Из чего состоит хромосома?
Варианты ответов
из центромер
из хроматид
из микротрубочек
из веретен деления
Вопрос 4
В какой фазе деления клетки хроматиды расходятся к противоположным полюсам клетки?
Варианты ответов
в анафазе
в профазе
в метафазе
в телофазе
Вопрос 5
В ядре клетки листа томата 24 хромосомы. Сколько хромосом будет в ядре клетки корня томата после ее деления?
Варианты ответов
Вопрос 6
В приведённой ниже таблице между позициями первого и второго
столбца имеется
| | |
| – |
| | |
| | |
Какое понятие следует вписать на место пропуска в этой таблице?
Варианты ответов
ткань
клетка
ядро
ген
Вопрос 7
В метафазе митоза происходит
Варианты ответов
расхождение хроматид
удвоение хромосом
размещение хромосом в плоскости экватора клетки
формирование ядерной оболочки и ядрышек
Вопрос 8
Мейоз происходит в клетках
Варианты ответов
крови лягушки
половых желез крысы
камбия тополя
эпителия человека
Вопрос 9
Конъюгация и обмен участками гомологичных хромосом происходит
Варианты ответов
профазе II мейоз
профазе митоза
метафазе II мейоза
профазе I мейоза
Вопрос 10
Какая фаза деления клетки изображена на
Варианты ответов
профаза
анафаза
телофаза
метафаза
Вопрос 11
По каким признакам можно узнать телофазу митоза?
Варианты ответов
беспорядочному расположению спирализованных хромосом в цитоплазме
выстраиванию хромосом в экваториальной плоскости клетки
расхождению дочерних хроматид к противоположным полюсам клетки
деспирализации хромосом и образованию ядерных оболочек вокруг двух ядер
Вопрос 12
Какие процессы протекают во время мейоза? ( выберите 3 правильных ответа из шести)
Варианты ответов
транскрипция
редукционное деление
денатурация
трансляция
конъюгация
кроссинговер
Вопрос 13
Установите, в какой последовательности происходят фазы митоза
Варианты ответов
удвоение молекулы ДНК
образование метафазной пластинки
расхождение сестринских хроматид
деление цитоплазмы
Вопрос 14
Верны ли следующие суждения о митозе?
А. Митоз – способ деления клеток, в результате которого образуются клетки с редуцированным набором хромосом.
Б. Образующиеся в результате митоза клетки содержат наследственную информацию, идентичную информации
Варианты ответов
верно только А
верно только Б
верны оба суждения
оба суждения неверны
Вопрос 15
Установите соответствие между характеристикой процесса и способом деления клетки, который она иллюстрирует.
Варианты ответов
образуются две диплоидные дочерние клетки
обеспечивает созревание гамет у животных
сохраняет постоянство числа хромосом в клетках
происходит перекомбинация генов в хромосомах
служит способом бесполого размножения простейших