Деление клетки. Митоз и мейоз

Клеточный цикл — период жизни клетки от одного деления до следующего. Состоит из двух основных частей: интерфазы (подготовки к делению) и самого деления. Интерфаза занимает около 90% клеточного цикла. Делится на три периода: G1-период (постсинтетический) — активный рост клетки, синтез белков, РНК; S-период (синтетический) — репликация ДНК; каждая хромосома удваивается и состоит теперь из двух сестринских хроматид; G2-период (предсинтетический) — завершение подготовки: синтез белков веретена деления, проверка точности репликации ДНК. После G2-периода начинается деление.

Хромосома — структура, состоящая из молекулы ДНК, упакованной с белками-гистонами. В неделящейся клетке хромосомы деконденсированы (не видны под микроскопом) и называются хроматином. Перед делением хромосомы конденсируются и становятся видимы. Хроматида — одна из двух идентичных копий хромосомы после репликации ДНК. Сестринские хроматиды соединены в области центромеры. Когда хроматиды разделяются — каждая становится отдельной самостоятельной хромосомой. Диплоидный набор (2n) у человека: 46 хромосом (23 пары). Гаплоидный набор (n): 23 хромосомы — в половых клетках.

Митоз — непрямое деление эукариотических клеток, при котором из одной материнской клетки образуются две дочерние с идентичным набором хромосом. Схема: 2n → 2n. Биологический смысл: обеспечение генетически идентичных клеток для роста и регенерации организма. Именно митозом происходит рост, восстановление тканей (заживление ран), бесполое размножение (у простейших, растений, животных). Митоз происходит в соматических клетках (клетках тела). В митозе 4 фазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Профаза — первая и самая длинная фаза митоза. Хромосомы спирализуются (конденсируются) и становятся видимы под микроскопом. Ядерная оболочка и ядрышко разрушаются. Центриоли (у животных и низших растений) расходятся к полюсам клетки. Начинает формироваться веретено деления — система нитей из белка тубулина, от центриолей к хромосомам. В конце профазы нити веретена прикрепляются к кинетохорам — белковым структурам в области центромер хромосом.

Метафаза — фаза, в которой хромосомы выстраиваются в плоскости экватора клетки (метафазная пластинка). Все хромосомы максимально компактны — именно в метафазе их удобнее всего подсчитывать и изучать. Нити веретена деления тянут хромосомы к экватору от обоих полюсов одновременно. В метафазе у клетки человека можно увидеть 46 хромосом, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид, соединённых в центромере. Метафазные хромосомы используют для составления кариограммы.

Анафаза — фаза расхождения хроматид. Центромеры разрываются, и сестринские хроматиды каждой хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки. Нити веретена укорачиваются, «притягивая» хроматиды к полюсам. К каждому полюсу отходит по одной хроматиде от каждой хромосомы — то есть к каждому полюсу отходит полный набор хромосом (2n). Внимание! В анафазе МИТОЗА к полюсам расходятся ХРОМАТИДЫ (разделённые копии хромосом). В анафазе МЕЙОЗА I к полюсам расходятся целые ХРОМОСОМЫ (гомологичные пары). Это различие — классическая ловушка ЕГЭ.

Телофаза — завершающая фаза. Хроматиды достигли полюсов; теперь каждая становится полноценной хромосомой. Вокруг каждой группы хромосом формируется новая ядерная оболочка. Хромосомы деконденсируются. Ядрышки восстанавливаются. Веретено деления разрушается. Затем происходит цитокинез — деление цитоплазмы. У животных: перетяжка мембраны посередине клетки. У растений: формирование клеточной пластинки посередине клетки, из которой вырастает новая клеточная стенка. Итог митоза: две дочерние клетки с тем же набором хромосом, что и материнская (2n → 2n).

Мейоз — особый тип деления клеток, при котором из одной диплоидной клетки (2n) образуются четыре гаплоидные клетки (n). Биологический смысл: образование гамет (половых клеток) с уменьшением числа хромосом вдвое. При оплодотворении — слиянии двух гамет — восстанавливается диплоидный набор. Без мейоза число хромосом в каждом поколении удваивалось бы. Мейоз обеспечивает генетическое разнообразие потомства за счёт кроссинговера и независимого расхождения хромосом. Включает два последовательных деления: мейоз I и мейоз II.

Конъюгация — сближение и тесный контакт гомологичных хромосом в профазе I мейоза. Гомологичные хромосомы — пары хромосом одинакового строения, несущие одинаковые гены (но возможно разные аллели), одна от отца, одна от матери. Кроссинговер — обмен гомологичными участками между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом в ходе конъюгации. В результате в одну хромосому встраиваются участки другой — происходит рекомбинация генетического материала. Биологическое значение: кроссинговер создаёт новые комбинации аллелей, увеличивая генетическое разнообразие потомства. Место конъюгации видно под микроскопом как хиазма.

Мейоз I называется редукционным делением: число хромосом уменьшается вдвое. Профаза I — самая длинная фаза: конъюгация гомологичных хромосом, кроссинговер; образуются биваленты (пары гомологичных хромосом). Метафаза I — биваленты выстраиваются на экваторе клетки. Анафаза I — к полюсам расходятся целые хромосомы (не хроматиды!); каждая хромосома всё ещё состоит из двух хроматид. Телофаза I — образуются две клетки с гаплоидным набором (n), но каждая хромосома ещё двухроматидная. Между мейозом I и мейозом II репликации ДНК не происходит.

Мейоз II аналогичен митозу, но клетки уже гаплоидные. Профаза II — хромосомы снова спирализуются, ядерная оболочка разрушается. Метафаза II — хромосомы выстраиваются по экватору. Анафаза II — к полюсам расходятся сестринские хроматиды (как в анафазе митоза). Телофаза II — формируются 4 гаплоидные клетки. Итог мейоза: из одной диплоидной клетки (2n) образуются четыре гаплоидные клетки (n). У самцов все 4 клетки превращаются в сперматозоиды (сперматогенез). У самок одна из 4 клеток становится яйцеклеткой, остальные три — полярными тельцами (оогенез).

Ключевые отличия. Результат: митоз — 2 клетки (2n); мейоз — 4 клетки (n). Конъюгация и кроссинговер: только в мейозе (профаза I). Два деления: мейоз состоит из двух делений; митоз — из одного. В анафазе I мейоза к полюсам расходятся целые гомологичные хромосомы; в анафазе митоза — сестринские хроматиды. Место: митоз — во всех соматических клетках; мейоз — в половых железах, при образовании гамет. Генетическое разнообразие: митоз даёт генетически идентичные клетки; мейоз благодаря кроссинговеру — генетически разнообразные.

Амитоз — прямое деление клетки путём простого перетяжения без образования веретена деления и без спирализации хромосом. Характерен для некоторых специализированных клеток: клетки печени, клетки плаценты, клетки злокачественных опухолей. При амитозе хромосомы распределяются между дочерними клетками неравномерно и случайно, что приводит к генетической неоднородности дочерних клеток. Амитоз — исключение, а не правило. Типичный способ деления эукариот — митоз.

Полиплоидия — увеличение числа хромосомных наборов кратно гаплоидному. Диплоид (2n) — обычная клетка. Тетраплоид (4n), гексаплоид (6n) и так далее — полиплоиды. Возникает при нарушении расхождения хромосом в митозе или мейозе. В природе полиплоидия распространена среди растений: пшеница (гексаплоид — 6n = 42), картофель (тетраплоид — 4n = 48). Полиплоиды часто крупнее, продуктивнее и более устойчивы к стрессам. В селекции полиплоидию вызывают искусственно с помощью колхицина — он блокирует образование веретена деления, и хромосомы не расходятся.

Внимание! Первая ошибка — в анафазе мейоза I расходятся хроматиды. Нет: в анафазе мейоза I расходятся ЦЕЛЫЕ гомологичные хромосомы. Хроматиды расходятся только в анафазе митоза и анафазе мейоза II. Вторая ошибка — считать, что после мейоза I получаются гаплоидные клетки с одинарными хромосомами. Нет: после мейоза I каждая клетка гаплоидна (n), но каждая хромосома ещё двухроматидная. Третья ошибка — путать конъюгацию хромосом с конъюгацией бактерий. Конъюгация хромосом — это в мейозе. Конъюгация бактерий — это передача ДНК между клетками. Четвёртая ошибка — считать, что сперматогенез и оогенез дают одинаковое число клеток. Сперматогенез: 4 сперматозоида. Оогенез: 1 яйцеклетка + 3 полярных тельца (не жизнеспособны).