Деление клеток. Митоз и мейоз, фазы деления

1. Чем митоз отличается от мейоза?

Ответ. Митоз - универсальное деление соматических клеток, в результате которого из исходной (материнской) клетки образуются 2 дочерние клетки, генетически тождественные материнской.

Мейоз - особый способ деления, в результате которого образуется 4 клетки с набором хромосом уменьшенным вдвое по сравнению с материнской (обычно образуются клетки с гаплоидным набором хромосом) , причем все образовавшиеся клетки генетически отличаются друг от друга.

В мейозе происходит не одно деление (как в митозе) , а два последовательных деления - редукционное и эквационное.

В мейозе (в профазе первого деления) происходит конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер, а в митозе - не происходит.

В анафазе первого деления мейоза к полюсам расходятся не хроматиды, а целые хромосомы

2. Какие фазы митоза вы знаете?

Ответ. Различают следующие четыре фазы митоза: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. В профазе хорошо видны центриоли - образования, находящиеся в клеточном центре и играющие роль в делении дочерних хромосом животных. Центриоли делятся и расходятся к разным полюсам клетки. От центриолей протягиваются микротрубочки, образующие нити веретена деления, которое регулирует расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки.

В конце профазы ядерная оболочка распадается, ядрышко постепенно исчезает, хромосомы спирализуются и в результате этого укорачиваются и утолщаются, и их уже можно наблюдать в световой микроскоп. Еще лучше они видны на следующей стадии митоза - метафазе.

В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. При этом хорошо видно, что каждая хромосома, состоящая из двух хроматид, имеет перетяжку - центромеру. Хромосомы своими центромерами прикрепляются у нити веретена деления. После деления центромеры каждая хроматида становится самостоятельной дочерней хромосомой.

Затем наступает следующая стадия митоза - анафаза, во время которой дочерние хромосомы (хроматиды одной хромосомы) расходятся к разным полюсам клетки.

Следующая стадия деления клетки - телофаза. Она начинается после того, как дочерние хромосомы, состоящие из одной хроматиды, достигли полюсов клетки. На этой стадии хромосомы вновь деспирализуются и приобретают такой же вид, какой они имели до начала деления клетки в интерфазе (длинные тонкие нити). Вокруг них возникает ядерная оболочка, а в ядре формируется ядрышко, в котором синтезируются рибосомы. В процессе деления цитоплазмы все органоиды (митохондрии, комплекс Гольджи, рибосомы и др.) распределяются между дочерними клетками более или менее равномерно.

Вопросы после §28

1. Что такое апоптоз?

Ответ. У простейших и бактерий деление клетки – основной способ размножения. Амеба, например, не подвергается естественной смерти, и вместо гибели она просто делится на две новые клетки. Понятно, что клетки многоклеточного организма не могут делиться бесконечно, иначе все существа, и люди в том числе, стали бы бессмертными. Этого не происходит потому, что ДНК клетки содержит особые «гены смерти», которые рано или поздно активируются. Это приводит к синтезу особых белков, которые убивают эту клетку: она сжимается, ее органоиды и мембраны разрушаются, но таким образом, чтобы их части можно было использовать вторично. Такая «запрограммированная» клеточная смерть называется апоптозом. Но от своего «рождения» до апоптоза клетка проходит множество нормальных клеточных циклов. У различных видов организмов клеточный цикл занимает разное время: у бактерий – около 20 мин, у инфузории-туфельки – от 10 до 20 ч. Клетки тканей многоклеточных организмов на ранних стадиях его развития делятся очень часто, а затем клеточные циклы значительно удлиняются. Например, сразу после рождения нейроны животных делятся часто: 80 % головного мозга формируется именно тогда. Однако большинство из этих клеток быстро теряет способность к делению, и часть из них доживает не делясь до естественной смерти животного от старости.

2. Какой цикл называют митотическим?

Ответ. Обязательным компонентом каждого клеточного цикла является митотический цикл, который включает в себя подготовку клетки к процессу деления и само деление. Кроме того, в жизненный цикл входят длинные или короткие периоды покоя, когда клетка выполняет свои функции в организме. После каждого из таких периодов клетка должна перейти либо к митотическому циклу, либо к апоптозу

3. Какие процессы происходят в клетке в интерфазу?

Ответ. Подготовка клетки к делению получила название интерфазы. Она состоит из трех периодов.

Пресинтетический период (G1) – наиболее продолжительная часть интерфазы. Он может продолжаться у различных видов клеток от 2–3 ч до нескольких суток. Этот период следует сразу же за предшествующим делением, во время него клетка растет, накапливая энергию и вещества для последующего удвоения ДНК.

Синтетический период (S), который обычно длится 6–10 ч, включает в себя удвоение ДНК, синтез белков, необходимых для формирования хромосом, а также увеличение количества РНК. К концу этого периода каждая хромосома уже состоит из двух идентичных хроматид, соединенных друг с другом в области центромеры. В этот же период удваиваются центриоли.

Постсинтетический период (G2) наступает после удвоения хромосом. Он длится 2–5 ч; за это время накапливается энергия для предстоящего митоза и синтезируются белки микротрубочек, которые впоследствии образуют веретено деления. Теперь клетка может приступать к митозу.

Прежде чем перейти к описанию способов деления клетки, рассмотрим процесс удвоения ДНК, в результате которого в синтетическом периоде образуются сестринские хроматиды.

4. В какой период интерфазы происходит репликация ДНК?

Ответ. Удвоение молекулы ДНК называют также репликацией или редупликацией. Во время репликации часть молекулы «материнской» ДНК расплетается на две нити с помощью специального фермента, причем это достигается разрывом водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями: аденином – тимином и гуанином – цитозином. Далее к каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК фермент ДНК-полимераза подстраивает комплементарный ему нуклеотид. Таким образом, образуются две двуцепочечные молекулы ДНК, в состав каждой из которых входят одна цепочка «материнской» молекулы и одна новосинтезированная («дочерняя») цепочка. Эти две молекулы ДНК абсолютно идентичны.

Митоз (наряду со стадией цитокинеза) - процесс, в результате которого эукариотическая соматическая (или клетка тела) делится на две идентичные .

Мейоз - другой тип деления клеток, который начинается с одной клетки, имеющей правильное количество хромосом и заканчивается образованием четырех клеток с уменьшенным в двое количеством хромосом ().

У людей практически все клетки подвергаются митозу. Единственными клетками человека, которые делятся при помощи мейоза, являются или (яйцеклетка у женщин и сперма у мужчин).

Гаметы имеют только половину относительно клеток тела, потому что когда половые клетки сливаются во время оплодотворения, результирующая клетка (называемая зиготой) имеет правильное количество хромосом. Вот почему потомство представляет собой смесь генетики матери и отца (гаметы отца содержат одну половину хромосом, а гаметы матери - другую).

Хотя митоз и мейоз дают очень разные результаты, эти процессы довольно схожи и протекают с небольшими различиями на основных этапах. Давайте разберем основные отличия митоза и мейоза, чтобы лучше понять, как они работают.

Оба процесса начинаются после того, как клетка проходит через интерфазу и синтезирует ДНК на стадии S-фазы (или фазы синтеза). В этот момент каждая хромосома состоит из сестринских хроматид, которые удерживаются вместе .

Митотическая анафаза отделяет одинаковые сестринские хроматиды, поэтому идентичная генетика будет в каждой клетке. В анафазе I сестринские хроматиды, не идентичны, так как подверглись переходу во время профазы I. В анафазе I сестринские хроматиды остаются вместе, но гомологичные пары хромосом раздвигаются и переносятся на противоположные полюса клетки.

Телофаза

Заключительный этап называется телофазой. В митотической телофазе и телофазе II большая часть того, что было сделано во время профазы, будет отменено. Веретено деление разрушается и исчезает, образовывается ядерная оболочка, хромосомы распутываться, а клетка готовится к разделению во время цитокинеза.

В этот момент митотическая телофаза переходит в цитокинез, результатом которого будут две идентичные диплоидные клетки. Телофаза II уже прошла одно деление в конце мейоза I, поэтому она войдет в цитокинез, чтобы сделать в общей сложности четыре гаплоидных клетки. В телофазе I подобные события наблюдаться в зависимости от типа клетки. Веретено разрушается, но новая ядерная оболочка не формируется, а хромосомы могут оставаться плотно спутанными. Кроме того, некоторые клетки переходят сразу в профазу II вместо разделения на две клетки посредством цитокинеза.

Таблица основных различий между митозом и мейозом

Митоз и мейоз в эволюции

Обычно мутации в ДНК соматических клеток, которые подвергаются митозу, не передаются потомству и поэтому не применимы к естественному отбору и не способствуют вида. Однако ошибки в мейозе и случайное смешивание генов и хромосом в течение всего процесса, действительно способствуют генетическому разнообразию и приводит к эволюции. Пересечение создает новую комбинацию генов, которые могут кодировать благоприятную адаптацию.

Кроме того, независимый ассортимент хромосом во время метафазы I также приводит к генетическому разнообразию. Гомологичные пары хромосом выстраиваются в линию на этом этапе, поэтому смешивание и сопоставление признаков имеет много вариантов, что способствует разнообразию. Наконец, случайное также может увеличить генетическое разнообразие. Поскольку в конце мейоза II образовывается четыре генетически разных гамета, которые фактически используются во время оплодотворения. По мере того, как имеющиеся признаки смешиваются и передаются, естественный отбор воздействует на них и выбирает наиболее благоприятные адаптации в качестве предпочтительных индивидуумов.

Митоз - это наиболее распространенный способ деления эукариотических клеток. При митозе геномы каждой из двух образовавшихся клеток идентичны между собой и совпадают с геномом исходной клетки.

Митоз является последним и обычно самым коротким по времени этапом клеточного цикла. С его окончанием жизненный цикл клетки заканчивается и начинаются циклы двух новообразовавшихся.

Диаграмма иллюстрирует длительность этапов клеточного цикла. Буквой M - обозначен митоз. Наибольшая скорость митоза наблюдается в зародышевых клетках, наименьшая - в тканях с высокой степенью дифференциации, если их клетки вообще делятся.

Хотя митоз рассматривают независимо от интерфазы, состоящей из периодов G 1 , S и G 2 , подготовка к нему происходит именно в ней. Самым важным моментом является репликация ДНК, происходящая в синтетическом (S) периоде. После репликации каждая хромосома состоит уже из двух идентичных хроматид. Они сближены по всей своей длине и соединены в области центромеры хромосомы.

В интерфазе хромосомы находятся в ядре и представляют собой клубок тонких очень длинных хроматиновых нитей, которые видны лишь под электронным микроскопом.

В митозе выделяют ряд последовательных фаз, которые также могут называться стадиями или периодами. При классическом упрощенном варианте рассмотрения выделяют четыре фазы. Это профаза, метафаза, анафаза и телофаза . Часто выделяют больше фаз: прометафазу (между профазой и метафазой), препрофазу (характерна для растительных клеток, предшествует профазе).

С митозом связан другой процесс – цитокинез , который протекает в основном в период телофазы. Можно сказать, что цитокинез является как бы составной частью телофазы, или оба процесса идут параллельно. Под цитокинезом понимают разделение цитоплазмы (но не ядра!) родительской клетки. Деление ядра называют кариокинезом , и оно предшествует цитокинезу. Однако при митозе как такового деления ядра не происходит, т. к. сначала распадается одно – родительское, потом образуются два новых – дочерних.

Бывают случаи, когда кариокинез происходит, а цитокинез - нет. В таких случаях образуются многоядерные клетки.

Длительность самого митоза и его фаз индивидуальна, зависит от типа клеток. Обычно профаза и метафаза является самыми длительными периодами.

Средняя продолжительность митоза около двух часов. Животные клетки обычно делятся быстрее, чем клетки растений.

При делении клеток эукариот обязательно образуется двухполюсное веретено деления, состоящее из микротрубочек и связанных с ними белков. Благодаря ему происходит равное распределение наследственного материала между дочерними клетками.

Ниже будет дано описание процессов, которые происходят в клетке в различные фазы митоза. Переход в каждую следующую фазу контролируется в клетке специальными биохимическими контрольными точками, в которых «проверяется», все ли необходимые процессы были правильно завершены. В случае наличия ошибок деление может остановиться, а может - и нет. В последнем случае возникают аномальные клетки.

Фазы митоза

В профазе происходят следующие процессы (в основном параллельно):

Хромосомы конденсируются

Ядрышки исчезают

Ядерная оболочка распадается

Формируются два полюса веретена деления

Митоз начинается с укорочения хромосом. Составляющие их пары хроматид спирализуются, в результате чего хромосомы сильно укорачиваются и утолщаются. К концу профазы их можно увидеть в световой микроскоп.

Ядрышки исчезают, т. к. образующие их части хромосом (ядрышковые организаторы) находятся уже в спирализованном виде, следовательно, неактивны и не взаимодействуют между собой. Кроме того распадаются ядрышковые белки.

В клетках животных и низших растений центриоли клеточного центра расходятся по полюсам клетки и выступают центрами организации микротрубочек . Хотя у высших растений центриолей нет, микротрубочки также образуются.

От каждого центра организации начинают расходиться короткие (астральные) микротрубочки. Формируется структура похожая на звезду. У растений она не образуется. Их полюса деления более широкие, микротрубочки выходят не из малой, а из относительно широкой области.

Распад ядерной оболочки на мелкие вакуоли знаменует конец профазы.

Справа на микрофотографии зеленым цветом подсвечены микротрубочки, синим - хромосомы, красным – центромеры хромосом.

Также следует отметить, что в период профазы митоза происходи фрагментация ЭПС, она распадается на мелкие вакуоли; аппарат Гольджи распадается на отдельные диктиосомы.

Ключевые процессы прометафазы идут большей часть последовательно:

Хаотичное расположение и движение хромосом в цитоплазме.

Соединение их с микротрубочками.

Движение хромосом в экваториальную плоскость клетки.

Хромосомы оказываются в цитоплазме, они беспорядочно двигаются. Оказавшись на полюсах, у них больше шансов скрепиться с плюс-концом микротрубочки. В конце концов нить прикрепляется к кинетохоре.

Такая кинетохорная микротрубочка начинает нарастать, чем отдаляют хромосому от полюса. В какой-то момент к кинетохоре сестринской хроматиды крепится другая микротрубочка, нарастающая с другого полюса деления. Она тоже начинает толкать хромосому, но уже в противоположном направлении. В результате хромосома становится на экваторе.

Кинетохоры представляют собой белковые образования на центромерах хромосом. Каждая сестринская хроматида имеет свой кинетохор, который «созревает» в профазе.

Кроме астральных и кинетохорных микротрубочек есть те, которые идут от одного полюса к другому, как бы распирают клетку в перпендикулярном экватору направлении.

Признаком начала метафазы является расположение хромосом по экватору , образуется так называемая метафазная, или экваториальная, пластинка . В метафазу хорошо видны количество хромосом, их отличия и то, что они состоят из двух сестринских хроматид, соединенных в районе центромеры.

Хромосомы удерживаются за счет сбалансированных сил натяжения микротрубочек разных полюсов.

Сестринские хроматиды разделяются, каждая двигается к своему полюсу.

Полюса удаляются друг от друга.

Анафаза самая короткая фаза митоза. Она начинается, когда центромеры хромосом разделяются на две части. В результате каждая хроматида становится самостоятельной хромосомой и оказывается прикреплена к микротрубочке одного полюса. Нити «тянут» хроматиды к противоположным полюсам. На самом деле микротрубочки разбираются (деполимеризуются), т. е. укорачиваются.

В анафазе животных клеток двигаются не только дочерние хромосомы, но и сами полюса. За счет других микротрубочек они расталкиваются, астральные микротрубочки прикрепляются к мембранам и тоже «тянут».

Движение хромосом останавливается

Хромосомы деконденсируются

Появляются ядрышки

Восстанавливается ядерная оболочка

Большая часть микротрубочек исчезает

Телофаза начинается, когда хромосомы перестают двигаться, остановившись у полюсов. Они деспирализуются, становятся длинными и нитевидными.

Микротрубочки веретена деления разрушаются от полюсов к экватору, т. е. со стороны своих минус-концов.

Вокруг хромосом образуется ядерная оболочка путем слияния мембранных пузырьков, на которые в профазе распалось материнское ядро и ЭПС. На каждом полюсе формируется свое дочернее ядро.

Поскольку хромосомы деспирализуются, ядрышковые организаторы становятся активными и появляются ядрышки.

Возобновляется синтез РНК.

Если на полюсах центриоли еще не парные, то около каждой достраивается парная ей. Таким образом на каждом полюсе воссоздается свой клеточный центр, который отойдет в дочернюю клетку.

Обычно телофаза заканчивается разделением цитоплазмы, т. е. цитокинезом.

Цитокинез может начаться еще в анафазе. К началу цитокинеза клеточные органеллы распределяются относительно равномерно по полюсам.

Разделение цитоплазмы растительных и животных клеток происходит по-разному.

У животных клеток благодаря эластичности цитоплазматическая мембрана в экваториальной части клетки начинает впячиваться во внутрь. Образуется борозда, которая в конце концов смыкается. Другими словами, материнская клетка делится перешнуровкой.

В растительных клетках в телофазе нити веретена не исчезают в области экватора. Они сдвигаются ближе к цитоплазматической мембране, их количество увеличивается, и они образуют фрагмопласт . Он состоит из коротких микротрубочек, микрофиламентов, частей ЭПС. Сюда перемещаются рибосомы, митохондрии, комплекс Гольджи. Пузырьки Гольджи и их содержимое на экваторе образуют срединную клеточную пластинку, клеточные стенки и мембрану дочерних клеток.

Значение и функции митоза

Благодаря митозу обеспечивается генетическая стабильность: точное воспроизводство генетического материала в ряду поколений. Ядра новых клеток содержат столько же хромосом, сколько их содержала родительская клетка, и эти хромосомы являются точными копиями родительских (если, конечно, не возникли мутации). Другими словами, дочерние клетки генетически идентичны материнской.

Однако митоз выполняет и ряд других немаловажных функций:

рост многоклеточного организма,

бесполое размножение,

замещение клеток различных тканей у многоклеточных организмов,

у некоторых видов может происходить регенерация частей тела.

Сходства:

для митоза и мейоза характерны одинаковые фазы

в интерфазе происходит удвоение хромосом и ДНК

характерны для всех живых организмов, кроме бактерий

Отличия:

митоз включает одно деление клетки, мейоз – два деления (редукционное и уравнительное)

в результате митоза образуются соматические клетки, а в результате мейоза формируются гаметы и споры

в митозе ДНК удваивается перед каждым делением клетки в интерфазе, в мейозе ДНК удваивается один раз: перед первым делением в интерфазе

в митозе отсутствуют конъюгация и кроссинговер, а в мейозе осуществляются процессы конъюгации и кроссинговера

в метафазе митоза хромосомы выстраиваются в один слой по экватору клетки и содержат по 2 хроматиды каждая. В мейозе в метафазе 1 хромосомы выстраиваются по экватору клетки в 2 слоя и состоят из 4 хроматид каждая

в анафазе митоза расходятся к полюсам хроматиды, а в анафазе 1 мейоза расходятся к полюсам хромосомы

в митозе из одной материнской образуются 2 дочерние клетки (2n с), а в мейозе из одной материнской образуются 4 дочерние клетки (n c)

Решение типовых задач

Задача 1. Какой набор хромосом и сколько хроматид будет содержаться в клетке к концу интерфазы, если в деление вступает клетка с диплоидным набором хромосом? (набор хромосом обозначается n, а число хроматид – с).

Решение . В деление вступает клетка 2n c, т. к. все хроматиды идентичные, парные, но неудвоенные. В интерфазе, перед митотическим делением происходит их удвоение. Поэтому набор хромосом и количество хроматид составят 2n2c.

Задача 2. Диплоидный набор клетки составляет 8 хромосом. Сколько хроматид направляется к каждому полюсу в анафазе первого и второго мейотического деления?

Решение. Перед первым делением в интерфазе хромосомы (хроматиды) удваиваются, и количество хроматид будет равно 16. Это же количество сохранится в профазе -1 и метафазе-1. В анафазе первого мейотического деления к каждому полюсу отойдут по 8 хроматид. В анафазе второго мейотического деления к каждому полюсу направляется 4 хроматиды.

Задачи с ответами

Для организма с кариотипом 18 хромосом в метафазе -II мейоза количество хромосом и количество хроматид в клетке соответственно составляет. Ответ : 9 и 18.

Для организма (n=23) в метафазе-II мейоза количество хромосом и хроматид в клетке соответственно составляет. Ответ : 23 и 46.

Какое количество яйцеклеток и направительных телец может образоваться у животного из 40 ооцитов первого порядка? Ответ: 40 и 120.

Для организма с кариотипом 18 хромосом в анафазе-1 мейоза количество хромосом и количество хроматид, направляющихся к разным полюсам, соответственно составляет: а) 9 и 18; б) 18 и 36; в) 18 и 9.

Число хромосом n, число хроматид – с. После первого деления мейоза диплоидной клетки хромосомный набор в дочерних клетках составляет? Ответ : 1n2c.

Задачи для самостоятельного решения

Диплоидный набор клетки составляет 32 хромосомы. Сколько хроматид направляется к каждому полюсу в анафазе второго мейотического деления.

Диплоидный набор клетки составляет 28 хромосом. Сколько хроматид направляется к каждому полюсу в анафазе первого мейотического деления.

В клетках пыльцы вишни садовой 16 хромосом. Сколько хроматид в клетках вишни садовой в метафазе -1 и метафазе-2 мейоза.

Гаметогенез – процесс образования и развития гамет. Гамета – половая гаплоидная клетка, которая обеспечивает передачу наследственной информации. Выделяют два типа гаметогенеза: сперматогенез и овогенез.

Сперматогенез – процесс образования мужских гамет – сперматозоидов. Процесс сперматогенеза осуществляется в мужских половых гонадах из сперматогониев – диплоидных клеток семенника. Он подразделяется на 4 периода:

размножение (митоз);

рост (соответствует интерфазе, когда клетки увеличиваются в размерах, и происходит репликация ДНК);

созревание (мейоз – два деления);

формирование сперматозоидов.

Схема процесса сперматогенеза (рис. 29)

сперматогонии делятся митозом на 2 дочерние клетки – сперматоциты первого порядка;

сперматоциты первого порядка делятся мейозом (первое деление) на 2 дочерние клетки – сперматоциты 2 порядка

сперматоциты 2-го порядка вступают во второе деление мейоза, в результате которого образуются 4 гаплоидные сперматиды

сперматиды после периода формирования превращаются в зрелые сперматозоиды

Половые клетки развиваются в половых железах, где различают три зоны: размножения, роста, созревания половых клеток. Зона размножения находится по периферии половой железы. Здесь находятся первичные половые клетки, которые размножаются путем митоза. Затем первичные половые клетки попадают в зону роста, где они растут и достигают морфологической зрелости. Далее половые клетки переходят в зону созревания, где проходят два деления мейоза (редукционное и митоз мейоза, или уравнительное).

В семеннике выделяют три зоны развития половых клеток:

размножения сперматогониев, расположенная по периферии семенника;

1. созревания (двух делений мейоза).

Рис . 29 . Схема сперматогенеза

Сперматозоиды – мелкие подвижные клетки. В них выделяют головку, шейку и хвост (рис. 30). В передней части головки находится акросома, по форме пузырек, в котором содержится фермент гиалуронидаза, обладающий способностью растворять оболочки яйцеклетки в процессе оплодотворения. Большая часть головки сперматозоида занята ядром, а цитоплазма располагается только по периферии. В шейке расположены центриоли и митохондрии. При оплодотворении в яйцеклетке оказывается только ядро и центриоли сперматозоида, а другие органеллы не попадают в яйцеклетку. Митохондрии, содержащиеся в шейке, вырабатывают энергию для движения сперматозоида.

Рис . 30. Строение сперматозоида

Оогенез – процесс образования женских половых клеток – яйцеклеток из оогониев – диплоидных клеток яичника. Он подразделяется на 4 периода:

размножение (митоз);

рост (в интерфазе происходит рост клеток и репликация ДНК);

созревание (мейоз);

формирование яйцеклеток

Схема процесса оогенеза (рис. 31)

В зоне размножения в яичнике находятся оогонии – первичные половые клетки , делящиеся митозом.

Отдельные оогонии вступают в период роста, при этом клетки увеличиваются, и образуются ооциты первого порядка . Зрелые ооциты первого порядка (граафовы пузырьки) подходят к поверхности яичника, при этом стенка яичника разрывается, и ооцит первого порядка попадает в маточную трубу. Происходит захватывание ооцита бахромками маточной трубы.

3. Далее ооциты первого порядка вступают в период созревания и претерпевают мейоз. Из ооцита первого порядка в результате первого деления мейоза образуются ооцит второго порядка и первое полярное (направительное) тельце.

4. Ооциты второго порядка вступают во второе мейотическое деление. В результате второго деления формируется одна зрелая яйцеклетка (крупная клетка) и 3 полярных тельца, которые рассасываются и служат питательной средой для яйцеклетки. Таким образом, период созревания, два деления мейоза, происходят в маточной трубе.

В ходе оогенеза, как и сперматогенеза, наблюдается процесс дифференцировки клеток, приводящий к образованию гамет.

Рис. 31 . Схема оогенеза

Яйцеклетка – неподвижная клетка, крупная (размеры от 100 мкм до 1 см), которая имеет несколько оболочек, состоящих из гликопротеидов, содержит большое количество цитоплазмы, питательных веществ и ядро, митохондрии, рибосомы (рис. 32). В цитоплазме яйцеклетки содержатся митохондрии, где имеются кольцевые ДНК, через которые передается генетическая информация. Поэтому цитоплазма яйцеклетки обладает митохондриальной наследственностью. Яйцеклетка содержит все органеллы, характерные для эукариотической клетки.

Рис . 32 . Строение яйцеклетки

Оплодотворение – слияние зрелых гамет – яйцеклетки и сперматозоида, содержащих гаплоидный набор хромосом, с образованием зиготы (2n), из которой развивается многоклеточный организм.

Процесс оплодотворения включает 2 этапа (рис. 33):

проникновение головки сперматозоида в яйцеклетку

слияние гаплоидных ядер обоих гамет и образование зиготы

Зигота – клетка, образующаяся в результате слияния гамет разного пола.

Рис . 33 . Стадии оплодотворения яйцеклетки и начала деления зиготы у животных: 1 – сперматозоид, содержащий две хромосомы, прикрепляется к поверхности яйцеклетки; 2 – сперматозоид проник в яйцеклетку; 3 – слияние ядер сперматозоида и яйцеклетки и формирование в зиготе диплоидного числа хромосом; 4 – удвоение хромосом; 5 – метафаза первого деления.

15. Выберите пару из перечисленных триплетов нуклеотидов, которые не кодируют аминокислоту, а служат сигналом о прекращении синтеза полипептидной цепи в рибосоме: а) УАГ, ГАГ; б) УАА, УГА; в) ААГ, УГА.

16. Как называется свойство генетического кода, свидетельствующее о том, что он одинаков у организмов, стоящих на разных уровнях развития: а) неперекрываемость; б) дискретность; в) универсальность; г) однозначность.

27. Первая закономерность правила Чаргаффа:

а) А=Г; б) А=Т; в) А=Ц.

28. Вторая закономерность правила Чаргаффа: а) А+Г=Т+Ц; б) А+Т=Г+Ц; в) А+У=Г+Ц.

29. Транскрибируемый участок цепи ДНК, кодирующий полипептид, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТТТЦГАГЦАААА. Укажите антикодоны т-РНК, принимающие участие в биосинтезе данного полипептида: а) АААГЦУЦГУУУУ; б) ТТТЦГАГЦАААА; в) АААГЦТЦГТТТТ; г ) УУУЦГАГЦАААА.

30. Диплоидный набор клетки составляет 64 хромосомы. Сколько хроматид направляется к каждому полюсу в анафазе второго мейотического деления? а) 8; б) 16; в) 32; г) 64.

31. Отметьте признаки, характерные для и-РНК: а) одна полинуклеотидная цепь; б) две полинуклеотидные цепи; в) содержит урацил; г) содержит тимин; д) содержит рибозу; е) содержит дезоксиоибозу.

32. Сколько адениловых нуклеотидов содержится во фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 50 цитидиловых нуклеотидов, что составляет 20 % от общего количества нуклеотидов в данном фрагменте ДНК? а) 50; б) 75; в) 100.

Цель: учащиеся углубляют знания о формах размножения организмов; формируются новые понятия о митозе и мейозе и их биологическом значении.

Оборудование:

1. Учебно-наглядные пособия: табл., плакаты
2. технические средства обучения: интерактивная доска, мультимедийные презентации, обучающие компьютерные программы.

План урока:

1. Организационный момент
2. Повторение.
   1. Что такое размножение?
   2. Какие типы размножения вам известны? Дайте им определения?
   3. Перечислите примеры бесполого размножения? Приведите примеры.
   4. Биологическое значение бесполого размножения?
   5. Какое размножение называется половым?
   6. Какие половые клетки вам известны?
   7. Чем гаметы отличаются от соматических клеток?
   8. Что такое оплодотворение?
   9. В чем заключается преимущества полового размножения по сравнению с бесполым размножением?
3. Изучение нового материала

Ход урока

В основе передачи наследственной информации, размножения, а также роста, развития и регенерации лежит важнейший процесс – деление клеток. Молекулярная сущность деления заключена в способности ДНК к самоудвоению молекул.

Объявление темы урока. Поскольку фазы митоза и мейоза в общих чертах мы уже изучали в 9 классе, задачей общей биологии является рассмотрение этого процесса на молекулярном и биохимическом уровне. В связи с этим особое внимание мы уделим изменению хромосомных структур.

Клетка является не только единицей строения и функции у живых организмов, но также и генетической единицей. Это единица наследственности и изменчивости, проявляющихся в процессе деления клеток. Элементарным носителем наследственных свойств клетки является ген. Ген представляет собой отрезок молекулы ДНК из нескольких сотен нуклеотидов, где закодировано строение одной молекулы белка и проявление какого-то наследственного признака клетки. Молекула ДНК в комплексе с белком образует хромосому. Хромосомы ядра и локализованные в них гены являются основными носителями наследственных свойств клетки. В начале клеточного деления хромосомы укорачиваются и окрашиваются более интенсивно, так что становятся видимыми по отдельности.

В делящейся клетке хромосома имеет вид двойной палочки и состоит из двух разделенных щелью вдоль оси хромосомы половинок или хроматид. Каждая из хроматид содержит одну молекулу ДНК.

Внутреннее строение хромосом, число нитей ДНК в них меняются в жизненном цикле клетки.

Вспомним: что такое клеточный цикл? Какие этапы выделяют в клеточном цикле? Что происходит на каждом этапе?

Интерфаза включает в себя три периода.

Пресинтетический период G 1 наступает сразу после деления клетки. В это время в клетке происходит синтез белков, АТФ, разных видов РНК и отдельных нуклеотидов ДНК. Клетка растет, и в ней интенсивно накапливаются различные вещества. Каждая хромосома в этот период однохроматидна, генетический материал клетки обозначается 2n 1xp 2с (n – набор хромосом, хр – число хроматид, с – количество ДНК).

В синтетическом периоде S осуществляется редупликация молекул ДНК клетки. В результате удвоения ДНК в каждой из хромосом оказывается вдвое больше ДНК, чем было до начала S-фазы, но число хромосом не изменяется. Теперь генетический набор клетки составляет 2n 2xp 4с (диплоидный набор, хромосомы двухроматидны, количество ДНК – 4).

В третьем периоде интерфазы – постсинтетическом G 2 – продолжается синтез РНК, белков и накопление клеткой энергии. По окончании интерфазы клетка увеличивается в размерах и начинается ее деление.

Деление клетки.

В природе существует 3 способа клеточного деления – амитоз, митоз мейоз.

Амитозом делятся прокариотические организмы и некоторые клетки эукариот, например, мочевого пузыря, печени человека, а также старые либо поврежденные клетки. Сначала в них делится ядрышко, затем ядро на две или несколько частей путем перетяжек и в конце деления перешнуровывается цитоплазма на две или несколько дочерних клеток. Распределение наследственного материала и цитоплазмы не равномерно.

Митоз – универсальный способ деления эукариотических клеток, при котором из диплоидной материнской клетки образуются две подобные ей дочерние клетки.

Длительность митоза 1-3 часа и в его процессе 4 фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

Профаза. Обычно самая продолжительная фаза клеточного деления.

Увеличивается объем ядра, хромосомы спирализуются. В это время хромосома состоит из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки или центромеры. Затем растворяются ядрышки и ядерная оболочка – хромосомы лежат в цитоплазме клетки. Центриоли расходятся к полюсам клетки и образуют между собой нити веретена деления, а в конце профазы нити крепятся к центромерам хромосом. Генетическая информация клетки, по-прежнему, как в интерфазе (2n 2хр 4с).

Метафаза. Хромосомы располагаются строго в зоне экватора клетки, образуя метафазную пластину. На стадии метафазы хромосомы имеют самую малую длину, так как в это время они сильно спирализованы и конденсированы. Поскольку хромосомы хорошо видны подсчет и изучение хромосом обычно проходит в этот период деления. По продолжительности это самая короткая фаза митоза, так как она длится то мгновение, когда центромеры удвоенных хромосом располагаются строго по линии экватора. И уже в следующий момент начинается следующая фаза.

Анафаза. Каждая центромера расщепляется на две, и нити веретена оттягивают дочерние центромеры к противоположным полюсам. Центромеры тянут за собой отделившиеся одна от другой хроматиды. На полюса приходят по одной хроматиде из пары – это дочерние хромосомы. Количество генетической информации на каждом полюсе теперь равно (2n 1хр 2с).

Завершается митоз телофазой. Процессы, происходящие в этой фазе, обратны процессам, которые наблюдались в профазе. На полюсах происходит деспирализация дочерних хромосом, они утоньшаются и становятся слаборазличимыми. Вокруг них образуются ядерные оболочки, а затем появляются ядрышки. Одновременно с этим идет деление цитоплазмы: в животных клетках – перетяжкой, а у растений со средины клетки к периферии. После образования цитоплазматической мембраны в растительных клетках формируется целлюлозная оболочка. Образуются две дочерние клетки с диплоидным набором однохроматидных хромосом (2n 1хр 2с).

Следует отметить, что все процессы, происходящие в клетке, в том числе и митоз, находятся под генетическим контролем. Гены контролируют последовательные стадии редупликации ДНК, движение, спирализацию хромосом и т.д.

Биологическое значение митоза:

1. Точное распределение хромосом и их генетической информации между дочерними клетками.
2. Обеспечивает постоянство кариотипа и генетическую преемственность во всех клеточных проявлениях; т.к. иначе было бы не возможным постоянство строения и правильность функционирования органов и тканей многоклеточного организма.
3. Обеспечивает важнейшие процессы жизнедеятельности – эмбриональное развитие, рост, восстановление тканей и органов, а также бесполое размножение организмов.

Мейоз

Образование половых клеток (гамет) происходит иначе, чем процесс размножения соматических клеток. Если бы образование гамет шло таким же путем, то после оплодотворения (слияния мужской и женской гамет) число хромосом каждый раз удваивалось бы. Однако этого не происходит. Каждому виду свойственно определенное число и свой специфический набор хромосом (кариотип).

Мейоз – это особый вид деления, когда из диплоидных (2п) соматических клеток половых органов образуются половые клетки (гаметы) у животных и растений или споры у споровых растений с гаплоидным (п) набором хромосом в этих клетках. Затем в процессе оплодотворения ядра половых клеток сливаются, и восстанавливается диплоидный набор хромосом (n+n=2n).

В непрерывном процессе мейоза идут два последовательных деления: мейоз I и мейоз II. В каждом делении те же фазы, что и в митозе, но разные по продолжительности и изменениям генетического материала. В результате мейоза I число хромосом в образовавшихся дочерних клетках уменьшается вдвое (редукционное деление), а при мейозе II гаплоидность клеток сохраняется (эквационное деление).

Профаза мейоза I – удвоенные в интерфазе гомологичные хромосомы попарно сближаются. При этом отдельные хроматиды гомологичных хромосом переплетаются, перекрещиваются между собой и могут разрываться в одинаковых местах. Во время этого контакта гомологичные хромосомы могут обмениваться соответствующими участками (генами), т.е. идет кроссинговер. Кроссинговер вызывает перекомбинацию генетического материала клетки. После этого процесса гомологичные хромосомы снова разъединяются, растворяются оболочки ядра, ядрышек и образуется веретено деления. Генетическая информация клетки в профазе составляет 2n 2хр 4с (диплоидный набор, хромосомы двухроматидные, количество молекул ДНК – 4).

Метафаза мейоза I – хромосомы располагаются в плоскости экватора. Но если в метафазе митоза гомологичные хромосомы имеют положение, независимое друг от друга, то в мейозе они лежат рядом – попарно. Генетическая информация прежняя (2n 2хр 4с).

Анафаза I – к полюсам клетки расходятся не половинки хромосом из одной хроматиды, а целые хромосомы, состоящие из двух хроматид. Значит, из каждой пары гомологичных хромосом в дочернюю клетку попадет лишь одна, но двухроматидная хромосома. Их число в новых клетках уменьшится вдвое (редукция числа хромосом). Количество генетической информации на каждом полюсе клетки становится меньше (1n 2хр 2с).

В телофазе первого деления мейоза формируются ядра, ядрышки и делится цитоплазма – образуются две дочерние клетки с гаплоидным набором хромосом, но эти хромосомы состоят из двух хроматид (1n 2хр 2с).

Вслед за первым наступает второе деление мейоза, но ему не предшествует синтез ДНК. После короткой профазы мейоза II двухроматидные хромосомы в метафазе мейоза II располагаются в плоскости экватора и крепятся к нитям веретена деления. Их генетическая информация прежняя – (1n 2хр 2с).

В анафазе мейоза II к противоположным полюсам клетки расходятся хроматиды и в телофазе мейоза II образуются четыре гаплоидные клетки с однохроматидными хромосомами (1n 1хр 1с). Таким образом, в сперматозоидах и яйцеклетках число хромосом уменьшается вдвое. Такие половые клетки образуются у половозрелых особей различных организмов. Процесс формирования гамет называют гаметогенез.

Биологическое значение мейоза:

1.Образование клеток с гаплоидным набором хромосом. При оплодотворении обеспечивается постоянный для каждого вида набор хромосом и постоянное количество ДНК.

2.Во время мейоза происходит случайное расхождение негомологичных хромосом, что приводит к большому числу возможных комбинаций хромосом в гаметах. У человека число возможных комбинаций хромосом в гаметах составляет 2 n , где n – число хромосом гаплоидного набора: 2 23 =8 388 608. Число возможных комбинаций у одной родительской пары 2 23 х 2 23

3.Происходящие в мейозе перекрест хромосом, обмен участками, а также независимое расхождение каждой пары гомологичных хромосом

определяют закономерности наследственной передачи признака от родителей потомству.

Из каждой пары двух гомологичных хромосом (материнской и отцовской), входящих в хромосомный набор диплоидных организмов, в гаплоидном наборе яйцеклетки или сперматозоида содержится только одна хромосома. При этом она может быть: 1) отцовской хромосомой; 2) материнской хромосомой; 3) отцовской с участком материнской хромосомы; 4) материнской с участком отцовской. Эти процессы приводят к эффективной рекомбинации наследственного материала в гаметах, образуемым организмом. В результате обуславливается генетическая разнородность гамет и потомства.

При объяснении учащиеся заполняют таблицу: «Сравнительная характеристика митоза и мейоза»

Закрепление изученного материала (по табл., тестовая работа).

Литература:

1. Ю.И. Полянский. Учебник для 10-11 классов средней школы. –М.: «Просвещение», 1992.
2. И.Н. Пономарева, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина. Учебник «Биология» 11 класс, базовый уровень, –М.: «Вентана-Граф», 2010.
3. С.Г. Мамонтов Биология для поступающих в ВУЗЫ. –М.: 2002.
4. Н. Грин, У.Стаут, Д. Тейлор. Биология в 3 т. –М.: «Мир», 1993.
5. Н.П. Дубинина. Общая биология. Пособие для учитетеля. –М.: 1990.
6. Н.Н. Приходченко, Т.П. Шкурат «Основы генетики человека». Уч.пос. – Ростов н/Д: «Феникс», 1997.