Наследственность как всеобщее свойство живых организмов тесно связана с другим важнейшим свойством живого - размножением . Благодаря размножению осуществляется преемственность между родительскими особями и их потомством. В основе размножения лежит процесс деления клеток.
Хромосомы: индивидуальность, парность, число
Во время деления клетки хорошо заметны хромосомы. При изучении хромосом разных видов живых организмов было обнаружено, что их набор строго индивидуален. Это касается числа, формы, черт строения и величины хромосом. Набор хромосом в клетках тела, характерный для данного вида растений, животных, называется кариотипом.
В любом многоклеточном организме существует два вида клеток - соматические (клетки тела) и половые клетки, или гаметы. В половых клетках число хромосом в 2 раза меньше, чем в соматических. В соматических клетках все хромосомы представлены парами - такой набор называется диплоидным и обозначается 2/1- Парные хромосомы (одинаковые по величине, форме, строению) называются гомологичными.
В половых клетках каждая из хромосом находится в одинарном числе. Такой набор называется гаплоидным и обозначается n.
Митоз. Подготовка клетки к делению
Наиболее распространенным способом деления соматических клеток является митоз. Во время митоза клетка проходит ряд последовательных стадий, или фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки.
Во время подготовки клетки к делению - в период интерфазы (период между двумя актами деления) число хромосом удваивается. Вдоль каждой исходной хромосомы из имеющихся в клетке химических соединений синтезируется ее точная копия. Удвоенная хромосома состоит из двух половинок - хроматид. Каждая из хроматид содержит одну молекулу ДНК- В период интерфазы в клетке происходит процесс биосинтеза белка, удваиваются также все важнейшие структуры клетки. Продолжительность интерфазы в среднем 10-20 ч. Затем наступает процесс деления клетки - митоз.
Фазы митоза
Во время митоза клетка проходит следующие четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.
В профазе хорошо видны ценгриоли - органоиды, играющие определенную роль в делении дочерних хромосом. Центриолй делятся и расходятся к разным полюсам. От них протягиваются нити, образующие веретено деления, которое регулирует расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки. В конце профазы ядерная оболочка распадается, исчезает ядрышко, хромосомы спирализуются и укорачиваются.
Метафаза характеризуется наличием хорошо видимых хромосом, располагающихся в экваториальной плоскости клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид и имеет перетяжку - центромеру, к которой прикрепляются нити веретена деления. После деления центромеры каждая хроматида становится самостоятельной дочерней хромосомой.
В анафазе дочерние хромосомы расходятся к разным полюсам клетки.
В последней стадии - телофазе - хромосомы вновь раскручиваются и приобретают вид длинных тонких нитей. Вокруг них возникает ядерная оболочка, в ядре формируется ядрышко.
В процессе деления цитоплазмы все ее органоиды равномерно распределяются между дочерними клетками. Весь процесс митоза продолжается обычно 1-2 ч.
В результате митоза все дочерние клетки содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. Следовательно, митоз - это способ деления клетки, заключающийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками, обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом.
Время от одного до следующего. Проходит в две последовательные стадии - интерфаза и собственно деление. Продолжительность данного процесса различна и зависит от вида клеток.
Интерфаза является периодом между двумя клеточными делениями, временем от последнего деления до гибели клетки или потери способности к делению.
В данном периоде клетка растет и удваивает свое ДНК, а также митохондрии и пластиды. В интерфазе проходит и других органических соединений. Наиболее интенсивно процесс синтеза проходит в синтетическом периоде интерфазы. В это время удваиваются ядерные хроматиды, накапливается энергия, которая будет использоваться во время деления. Также увеличивается количество клеточных органелл и центриолей.
Интерфаза занимает практически 90% клеточного цикла. После нее проходит митоз, который является основным способом деления клеток эукариот (организмов, клетки которых содержат сформированное ядро).
При митозе хромосомы уплотняются, а также образуется специальный аппарат, который отвечает за равномерное распределение наследственной информации между клетками, которые образуются в результате данного процесса.
Проходит в несколько этапов. Стадии митоза характеризуются индивидуальными особенностями и определенной продолжительностью.
Фазы митоза
При митотическом делении клеток проходят соответствующие фазы митоза: профаза, после нее идет метафаза, анафаза, завершающей является телофаза.
Фазы митоза характеризуются следующими особенностями:
Какое биологическое значение процесса митоза?
Фазы митоза способствуют точной передаче дочерним клеткам наследственной информации, независимо от количества делений. При этом каждая из них получает по 1 хроматиде, что помогает сохранять постоянство количества хромосом во всех клетках, которые образуются в результате деления. Именно митоз обеспечивает передачу устойчивого набора генетического материала.
Что такое митоз и мейоз и какие фазы у них есть? клеток, имеющее некоторые различия. При мейозе из материнского ядра образуются четыре дочерние, в которых уменьшено количество хромосом (в два раза). При митозе также происходит но при этом типе формируются только две дочерние клетки с одинаковыми хромосомами, как у родителей.
Так и мейоз? Это биологические процедуры деления, во время которых формируются клетки с определенными хромосомами. Размножение митозом встречается у многоклеточных, сложных живых организмов.
Стадии
Митоз протекает в две стадии:
- Удвоение информации на генном уровне. Здесь материнские клетки распределяют между собой генетическую информацию. На данном этапе хромосомы изменяются.
- Митотическая стадия. Она состоит из временных периодов.
Клеточное формирование происходит в несколько стадий.
Фазы
Митоз делится на несколько фаз:
- телофаза;
- анафаза;
- метафаза;
- профаза.
Эти фазы протекают в определенной последовательности и имеют свои особенности.
У любых сложных многоклеточных митоз чаще всего подразумевает деление клеток по недифференцированному типу. При митозе материнская клетка делится на дочерние, обычно их две. Одна из них становится стволовой и продолжает деление, а вторая перестает делиться.
Интерфаза
Интерфаза - это клеточная подготовка к разделению. Обычно эта стадия продолжается до двадцати часов. В это время протекает множество самых разных процессов, во время которых клетки подготавливаются к митозу.
В этот период происходит деление белков, увеличивается количество органелл в структуре ДНК. К концу деления генетические молекулы удваиваются, а число хромосом не меняется. Одинаковые ДНК срощены и являются двумя хроматидами в одной молекуле. Образующиеся хроматиды идентичны и являются сестринскими.
После завершения интерфазы начинается собственно митоз. Он состоит из профазы, метафазы, анафазы и телофазы.
Профаза
Первая фаза митоза - это профаза. Она длится около часа. Ее условно делят на несколько этапов. На начальном этапе в профазе митоза происходит увеличение ядрышка, в результате которого формируются молекулы. К концу фазы каждая хромосома состоит уже из двух хроматид. Ядрышки и ядерные оболочки растворяются, все элементы оказываются в клетке в беспорядке. Далее в профазе митоза происходит образование ахроматинового деления, часть нитей проходит через всю клетку, а некоторые соединены с центральными элементами. При этом процессе содержание генетического кода остается неизменным.
Число хромосом в профазе митоза не изменяется. Что случается еще? В профазе митоза происходит распад ядерной оболочки, в результате которой спиральные хромосомы оказываются в цитоплазме. Частички распавшейся ядерной оболочки формируют мелкие мембранные пузырьки.
В профазе митоза происходит следующее: клетка животного становится круглой, а у растений она не изменяет форму.
Метафаза
После профазы наступает метафаза. В этой фазе спирализация хромосом достигает своего пика. Укороченные хромосомы начинают движение к центру клетки. Во время перемещения они располагаются одинаково в обеих частях. Здесь образуется метафазная пластинка. При рассмотрении клетки отчетливо видны хромосомы. Именно в метафазу их легко подсчитать.
После формирования метафазной пластинки проводится анализ набора хромосом, присущего данному типу клетки. Это происходит путем блокирования расхождения хромосом при помощи алкалоидов.
У каждого организма имеется свой набор хромосом. Например, у кукурузы их 20, а у садовой клубники - 56. В человеческом организме хромосом меньше, чем у ягоды, всего 46.
Анафаза
Все процессы, происходящие в профазе митоза, заканчиваются, и начинается анафаза. Во время этого процесса все хромосомные соединения разрываются и начинают движение в противоположные друг от друга стороны. В анафазе родственные хромосомы становятся самостоятельными. Они попадают в различные клетки.
Фаза заканчивается расхождением к полюсам клетки хроматид. Также здесь происходит распределение наследственной информации между дочерними и материнской клеткой.
Телофаза
Хромосомы располагаются у полюсов. Под микроскопом их становится плохо видно, так как вокруг них формируется оболочка ядра. Веретено деления полностью разрушается.
У растений мембрана формируется в центре клетки, постепенно распространяясь к полюсам. Она делит материнскую клетку на две части. Как только мембрана полностью вырастет, появляется целлюлозная стенка.
Особенности митоза
Деление клеток может затормаживаться из-за высоких температур, воздействия ядов, радиации. Во время изучения митоза клеток у разных многоклеточных организмов можно применять яды, которые тормозят митоз на стадии метафазы. Это позволяет детально изучить хромосомы, провести кариотопирование.
Митоз в таблице
Рассмотрим фазы клеточного деления в таблице, расположенной ниже.
Процесс стадий митоза также можно проследить по таблице.
Митоз у животных и растений
Особенности данного процесса можно описать в сравнительной таблице.
Итак, нами был рассмотрен процесс деления клеток у животных организмов и растений, а также их особенности и различия.
С идентичным генетическим материалом.
Интерфаза
Прежде чем делящаяся клетка попадает в митоз, она подвергается периоду роста, называемому интерфазой. Около 90% времени клетки при нормальном могут быть потрачены на интерфазу, которая осуществляется в три основные фазы:
- Фаза G1 : период до синтеза ДНК. В этой фазе клетка увеличивается в массе, подготавливаясь к делению.
- S-фаза: период, в течение которого происходит синтез ДНК. В большинстве клеток эта стадия происходит за очень короткий промежуток времени.
- Фаза G2: клетка продолжает синтез дополнительных белков увеличиваться в размерах.
В последней части интерфазы, клетка все еще имеет нуклеолы. Ядро ограничено ядерной оболочкой, а дублируются, но находятся в форме хроматина. В две пары центриолей, образованных из репликации одной пары, расположены за пределами ядра.
После фазы G2 наступает митоз, который в свою очередь состоит из нескольких стадий и завершается цитокинезом (делением клетки).
Фазы митоза:
Препрофаза (в клетках растений)
Препрофаза является дополнительной фазой во время митоза в , которая не встречается у других эукариот, таких как животные или грибы. Она предшествует профазе и характеризуется двумя различными событиями.
Изменения, которые происходят в препрофазе:
- Образование полосы препрофазы - плотного микротрубочного кольца под .
- Начало зарождения микротрубочек в ядерной оболочке.
Профаза
В профазе конденсируется в дискретные хромосомы. Ядерная оболочка ломается, а веретено деления образуются на противоположных полюсах клетки. Профаза (по сравнению с интерфазой) является первым истинным шагом митотического процесса.
Изменения, которые происходят в профазе:
- Хроматиновые волокна превращаются в хромосомы, имеющие по две , соединенные в центромер. Волокна деления, состоящие из микротрубочек и белков, образуется в .
- В клетках животных волокна деления первоначально появляется как структуры, называемые астерами, которые окружают каждую пару центриолей.
- Две пары центриолей (сформированных из репликации одной пары в интерфазе) отходят друг от друга к противоположным полюсам клетки из-за удлинения микротрубочек, образующихся между ними.
Прометафаза
Прометафаза - фаза митоза после профазы и предшествующая метафазе в эукариотических соматических клетках. Некоторые источники относят процессы протекающие в прометафазе к поздней профазе и начальной стадии метафазы.
Изменения, которые происходят в прометафазе:
- Ядерная оболочка распадается.
- Полярные волокна, которые представляют собой микротрубочки, составляющие волокна веретена, перемещаются от каждого полюса до экватора клетки.
- Кинетохоры, которые являются специализированными областями в центромерах хромосом, прикрепляются к типу микротрубочек, называемых кинетохорными нитями.
- Нити кинетохора «взаимодействуют» с веретеном деления.
- Хромосомы начинают мигрировать к центру клетки.
Метафаза
В метафазе полностью развиваются волокна деления, а хромосомы выравниваются на метафазной (экваториальной) пластине (плоскость, которая одинаково удалена от двух полюсов).
Изменения, которые происходят в метафазе:
- Ядерная мембрана полностью исчезает.
- В клетках животных две пары расходятся в противоположных направлениях к полюсам клетки.
- Полярные волокна (микротрубочки, составляющие волокна веретена) продолжают распространяться от полюсов к центру. Хромосомы перемещаются случайным образом, пока не присоединяют (при помощи своих кинетохор) к полярным волокнам с обеих сторон центромеров.
- Хромосомы выравниваются на метафазной пластине под прямым углом к полюсам веретена.
- Хромосомы удерживаются на метафазной пластине равными силами полярных волокон, которые нажимают на их центромеры.
Анафаза
В анафазе парные хромосомы () отделяются и начинают двигаться к противоположным концам (полюсам) клетки. Волокна веретена, не связанные с хроматидами, вытягиваются и удлиняют клетку. В конце анафазы каждый полюс содержит полную компиляцию хромосом.
Изменения, которые происходят в анафазе:
- Парные в каждой отдельной хромосоме начинают раздвигаться.
- Как только парные сестринские хроматиды отделены друг от друга, каждая из них считается «полной» хромосомой. Они называются дочерними хромосомами.
- При помощи веретена деления, перемещаются к полюсам на противоположные концы клетки.
- Дочерние хромосомы сначала мигрируют в центромер, а кинетохорные нити становятся короче, чем хромосомы вблизи полюсов.
- При подготовке к телофазе два полюса клетки также отдаляются друг от друга во время анафазы. В конце анафазы каждый полюс содержит полную компиляцию хромосом.
- Начинается процесс цитокинеза (разделение цитоплазмы исходной клетки), который завершается после телофазы.
Телофаза
В телофазе хромосомы достигают ядер новых дочерних клеток.
Изменения, которые происходят в телофазе:
- Полярные волокна продолжают удлиняться.
- Ядра начинают формироваться на противоположных полюсах.
- Ядерные оболочки новых ядер образовываются из остатков ядерной оболочки материнской клетки и кусочков эндомембранной системы.
- Появляются ядрышка.
- Разматываются хроматиновые волокна хромосом.
- После этих изменений телофаза и митоз в основном завершены, а генетическое содержание одной клетки поделено на две части.
Цитокинез
Цитокинез - это разделение цитоплазмы клетки. Он начинается до конца митоза в анафазе и заканчивается вскоре после телофазы. В конце цитокинеза образуются две генетически идентичные дочерние клетки.
Дочерние клетки
В конце митоза и цитокинеза хромосомы распределены поровну между двумя дочерними клетками. Эти клетки являются идентичными , причем каждая из которых содержит полный набор хромосом.
Клетки, продуцируемые через митоз, отличаются от клеток, продуцируемых через . В мейозе образуются четыре дочерние клетки. Эти клетки представляют собой , содержащие половину числа хромосом от исходной клетки. подвергаются мейозу. При делении половых клеток во время оплодотворения, гаплоидные клетки становятся диплоидной клеткой.
Митоз (или кариокинез, непрямое деление) является основным способом деления соматических клеток животных и растений, при котором распределение генетического материала между дочерними клетками происходит таким образом, что они получают от материнской клетки идентичный набор хромосом (и генов). Этим поддерживается постоянный диплоидный набор хромосом в клетках, характерный для каждого вида животных и растений. Впервые митотическое деление ядер животных клеток было описано в 1871 г. А.О. Ковалевским, а ядер растительных клеток – в 1874 г. И.Д. Чистяковым.
Комплекс процессов, когда две новые клетки образуются из одной родительской, называется митотическим циклом. Этот цикл, в свою очередь, состоит из собственно митоза и интерфазы – периода между двумя делениями клетки. Длительность митоза составляет 30-60 минут (у животных клеток) и 2-3 часа (у растительных клеток), длительность интерфазы у различных типах клеток может составлять от нескольких часов до нескольких лет. Во время интерфазы протекает много процессов, которые необходимы для нормального деления клетки. Важнейшими из них являются удвоение ДНК и синтез специальных белков гистонов, что приводит к удвоению хромосом и изменению соотношения массы ядра и цитоплазмы, синтез АТФ для обеспечения процесса деления энергией, синтез белков, необходимых для построения ахроматинового веретена. Эти процессы завершаются непосредственно перед началом митоза.
Митоз состоит из 4-х фаз – профазы , метафазы , анафазы и телофазы .
Началом профазы можно считать увеличение объема ядра и спирализацию хромосом, которые становятся видимыми в световой микроскоп. Каждая хромосома при этом состоит их двух идентичных половинок (сестринских хроматид), которые соединенны между собой в области центромеры. В профазе происходит поляризация клетки – центриоли клеточного центра расходятся к противоположным концам клетки и начинается формирование веретена деления (ахроматинового веретена). В клетках покрытосеменных отсутствует клеточный центр, но, несмотря на это, формирование веретена деления тоже начинается на противоположных полюсах клетки. В конце профазы ядрышко исчезает, ядерная оболочка растворяется, а хромосомы располагаются в цитоплазме клетки.
В метафазе происходит завершение формирования веретена деления, его нити идут от полюса к полюсу, а часть из них присоединяется к центромерам хромосом. Происходит максимальная спирализация хромосом, которые располагаются в экваториальной плоскости клетки, формируя метафазную пластинку. В это время хорошо заметно, что каждая хромосома состоит из 2-х хроматид, поэтому изучение и подсчет хромосом проводят именно в этой фазе деления.
В анафазе каждая из хромосом в области центромеры расщепляется на хроматиды, образуя при этом две дочерние хромосомы, которые за счет сокращения нитей веретена деления начинают перемещение к полюсам клетки. В результате этого в каждом полюсе клетки сосредотачивается диплоидный набор однонитевых хромосом.
В телофазе происходят процессы, противоположенные тем, которые проходили в профазе: деспирализуются хромосомы, образуются ядрышки, формируется ядерная оболочка. В результате образуются два ядра с таким же набором хромосом, который имело ядро материнской клетки. После обособления ядер начинается процесс деление цитоплазмы, который происходит за счет перетяжки (в животных клетках) или образования пластинки в середине экваториальной плоскости (в растительных клетках).
Биологическое значение митоза в том, что происходит точное распределение генетического материала между дочерними клетками, это обеспечивает постоянство кариотипа клеток (хромосомного набора) и генетическую преемственность между поколениями клеток. Рост, развитие, восстановление тканей и органов растений и животных происходит за счет митотического деления клеток.