Митоз. Биологическое значение митоза.

Митоз — это такой тип деления клеток, при котором из одной диплоидной клетки (2n = 46) образуются две диплоидные, генетически равнозначные клетки. Процесс митоза в соматических клетках человека идет стандартно (рис. 9). К концу профазы хромосомы становятся отчетливо видимыми, каждая состоит из двух хро-матид. Обе сестринские хроматиды прилежат одна к другой. Центромера в каждой хромосоме удерживает две сестринские хроматиды вместе. Ядрышко исчезает, ядерная оболочка распадается на фрагменты. Хромосомы располагаются в цитоплазме в центральной части клетки, оттесняя все органоиды к периферии.

Во время метафазы центромеры всех хромосом располагаются в экваториальной плоскости между двумя полюсами. Хроматиды каждой хромосомы начинают отделяться одна от другой, оставаясь соединенными только в центромерной области. В районе центромер с противоположных сторон прикреплены нити веретена деления. Их количество может достигать нескольких десятков в районе каждой центромеры.

Анафаза начинается с одновременного разделения всех центромер и расхождения сестринских хроматид каждой хромосомы к противоположным полюсам. Утрата синхронности процесса может привести к неправильному расхождению хромосом. Центромеры с помощью нитей веретена деления увлекают за собой дочерние хроматиды к противоположным полюсам. Анафаза заканчивается с прекращением движения хроматид, которые становятся хромосомами. У каждого полюса клетки должно оказаться по 46 хромосом, состоящих из одной хроматиды.

Телофаза связана с образованием ядерных оболочек вокруг хромосом на двух полюсах клетки и началом перехода хромосом в состояние хроматина. Завершается телофаза образованием перетяжки в центральной части делящейся клетки, которая завершает деление клетки надвое.

Известно, что у эукариот прохождение митоза может быть заблокировано физиологически или экспериментально, что приводит к развитию полиплоидных клеток. Системная полиплоидия не характерна для человека. Полиплоидные эмбрионы погибают на ранних стадиях развития, что является одной из причин спонтанного прерывания беременности на ранних сроках. В то же время наличие полиплоидных клеток в некоторых органах человека не является патологией. Например, полиплоидные клетки встречаются в сердечной мышце, особенно в предсердиях, в печени и некоторых железах. Они могут быть одно- и двуядерными, уровень полиплоидии невысок и обычно находится в пределах 4—8n.

Мейоз. Биологическое значение мейоза.

Мейоз — это особый тип клеточного деления, возникновение которого связано с появлением полового размножения. При половом размножении два родителя — отец и мать — дают начало новому организму. При оплодотворении сливаются ядра половых клеток родителей, что увеличивает вдвое количество хромосом в зиготе. Следовательно, образование половых клеток должно быть связано с уменьшением количества хромосом в два раза, но таким образом, чтобы совокупность генетического материала обеспечивала преемственность поколений. Закономерное чередование репликации ДНК и, соответственно, хромосом, митозов и мейозов обеспечивает сохранение видоспецифического кариоти-па как в индивидуальном развитии — онтогенезе, так и в череде поколений организмов.

В процессе мейоза из одной диплоидной клетки (2n = 46) образуются 4 гаплоидные клетки (n = 23). Кроме того, в мейозе происходит два вида перегруппировки генетического материала хромосом, т. е. два вида генетической рекомбинации: 1) независимое распределение гомологичных хромосом из разных пар к полюсам деления; 2) кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. Эти процессы обеспечивают широчайший спектр наследственной изменчивости, генетическую неповторимость индивидов даже среди потомков одной пары родителей.

Мейотическое деление у человека не имеет каких-то коренных отличий от мейоза других эукариот. Оно состоит из двух, следующих друг за другом делений, между которыми не происходит удвоения ДНК, а следовательно, и хромосом.

Перед мейозом обязательно проходит интерфаза, в S-периоде которой ДНК реплицируется. Следовательно, в профазе первого мейотического деления выявляющиеся нитевидные хромосомы состоят из двух хроматид. Каждое из двух делений мейоза состоит из про-, мета-, ана- и телофазы с индексами I или II

Первое мейотическое деление протекает значительно дольше, чем второе. Самой длительной фазой первого мейотического деления является профаза, так как именно в этой фазе происходят такие сложные процессы, как образование бивалентов из гомологичных хромосом и кроссинговер.

Метафаза I — биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости в цитоплазме. Центромеры хромосом расположены на экваторе, к ним прикреплены нити веретена деления. Число выстроенных бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом и для человека равно 23.

Анафаза I — расхождение гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.

Телофаза I. В этой фазе происходит образование двух дочерних ядер, каждое из которых содержит гаплоидное число хромосом, равное 23. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид.

Промежуток между двумя последующими делениями мейоза очень небольшой. Почти сразу начинается второе мейотическое деление. Оно идет по схеме митоза: 23 хромосомы, состоящие из парных сестринских хроматид, связанных в центромерных участках, в каждом из двух образованных ядер проходят профазу и мета-фазу. В анафазе они разъединяются, и сестринские хроматиды каждой хромосомы расходятся к противоположным полюсам, в результате чего образуется четыре гаплоидных ядра (рис. 10).

Рекомбинация генетического материала в мейозе происходит не только за счет процесса кроссинговера. В анафазе первого мейоти-ческого деления происходит случайное распределение по отношению к полюсам клетки гомологичных хромосом из каждого бивалента. Это приводит к большому числу возможных комбинаций отцовских и материнских хромосом в гаметах. Рассмотрим процесс подробнее на простом примере.

Проанализируем распределение первой и второй пары гомологичных хромосом в анафазе I. Известно, что в каждой паре гомологичных хромосом в процессе оплодотворения одна хромосома приходит из гаметы отца, другая — из гаметы матери. Обозначим заглавными буквами хромосомы отца, а строчными — хромосомы матери. Таким образом, А и а — первая пара хромосом, В и b — вторая пара. В профазе I образуются биваленты. В метафазе I они выстраиваются в экваториальной плоскости: А//а, В//b. В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалентов расходятся к противоположным полюсам: к одному полюсу пойдут хромосомы А и В, т.е. отцовские, а к другому, а и b, т.е. материнские. Но у этого события может быть и другой исход, когда расположение хромосом в метафазе на экваторе будет другим: А//а, b//В. Тогда к одному полюсу пойдут хромосомы А и b, а к другому — а и В, т.е. сочетание хромосом на полюсах будет содержать одну отцовскую и одну материнскую. Наличие двух пар гомологичных хромосом обеспечивает, как мы видим, образование четырех типов гамет, качественно отличающихся друг от друга сочетанием отцовских и материнских хромосом. У человека 23 пары хромосом. Разнообразие гамет оценивается как 2²³. Это примерно 10 миллионов вариантов разнообразных сочетаний отцовских и материнских хромосом из каждой пары гомологов. При оплодотворении практически равновероятна встреча любого из сперматозоидов с овулировавшей яйцеклеткой. Это увеличивает число возможных генотипов детей (2²³ • 2²³). Частота генетической рекомбинации в результате независимого распределения разных пар гомологов выше, чем частота рекомбинации в результате кроссинговера.

Наследование признаков, сцепленных с полом. Хромосомы X и Y гомологичны, так как у них есть общие гомологичные участки, где локализованы аллельные гены. Однако эти хромосомы, несмотря на гомологию отдельных локусов, различаются по морфологии. Помимо общих участков Х- и Y-хромосомы имеют большой набор генов, по которым они различаются. В Х-хромосоме имеются гены, которые отсутствуют в Y-хромосоме, в свою очередь, в Y-хромосо-ме имеются гены, которых нет в Х-хромосоме. Таким образом, у мужчин в половых хромосомах имеются гены, которые не имеют второго аллеля в гомологичной хромосоме. В этом случае признак определяется не парой аллельных генов, как обычно менделирую-щий признак, а только одним аллелем. Такое состояние гена называется гемизиготным (рис. 15). Признаки, развитие которых обусловлено одним аллелем, расположенным в одной из альтернативных половых хромосом, называются сцепленными с полом. Они развиваются преимущественно у одного из двух полов. Эти признаки наследуются по-разному у лиц мужского и женского пола.

Признаки, сцепленные с Х-хромосомой, могут быть и рецессивными, и доминантными. Рецессивные признаки — гемофилия, дальтонизм, атрофия зрительного нерва и миопатия Дюшена. Доминантные — рахит, не поддающийся лечению витамином D, и темная эмаль зубов.

Рассмотрим сцепленное с Х-хромосомой наследование на примере рецессивного гена гемофилии. У мужчины половые хромосомы XY. Ген гемофилии локализован в Х-хромосоме и не имеет аллеля в Y-хромосоме, т. е. находится в гемизиготном состоянии. Следовательно, несмотря на то, что признак рецессивный, у мужчин он проявляется:

N — ген нормальной свертываемости крови;

h — ген гемофилии;

X^hY — мужчина с гемофилией;

X^NY — мужчина здоров.

У женщин половые хромосомы XX. Признак определяется парой аллельных генов, поэтому гемофилия проявляется только в гомозиготном состоянии:

X^NX^N — женщина здорова;

X^NX^h — гетерозиготная женщина (носительница гена гемофилии), здорова;

X^hX^h — женщина-гемофилик.

Основные формальные характеристики Х-сцепленного рецессивного наследования следующие. Обычно поражаются мужчины. Все их фенотипически здоровые дочери являются гетерозиготными носительницами, так как от отца в процессе оплодотворения получают Х-хромосому:

O х^hу

гаметы: X^h и Y

\

дочерям сыновьям.

Среди сыновей гетерозиготных матерей (X^NX^h) соотношение пораженных и непораженных 1:1, так как гаметы X^N и X^h образуются с равной вероятностью:

Р: О X^NX^h х d X^NY

гаметы: X^N, X^h X^N, Y Fl:

Отцовские гаметыX^N Y

м атеринские X^N X^NX^N X^NY гаметы X^h X^NX^h X^hY

девочки мальчики

здоровы 1: 1

здоровы больны

Такое наследование получило название крисс-кросс (крест-накрест), т. е. сыновья наследуют фенотипический признак матери, а дочери — отца.

Законы передачи признаков, сцепленных с Х-хромосомами, были впервые изучены Т. Морганом.

Помимо Х-сцепленных признаков, у мужчин имеются Y-сцеп-ленные признаки, называемые голандрическими. Гены, определяющие голандрические признаки, локализованы в тех районах Y-xpo-мосом, которые не имеют аналогичных участков в Х-хромосоме (рис. 15). Эти признаки также определяются только одним алле-лем. Так как голандрические признаки определяются генами, находящимися только в Y-хромосоме, то выявляются они у мужчин и передаются от отца всем сыновьям. Голандрические признаки: волосатость ушей, перепонки между пальцами ног, ихтиоз (кожа имеет глубокую исчерченность и напоминает рыбью чешую).

Гомологичные районы Х- и Y-хромосом содержат аллельные гены. Они с равной вероятностью встречаются у лиц мужского и женского пола. К числу таких признаков относятся общая цветовая слепота (отсутствие цветового зрения) и пигментная ксеродер-ма — заболевание, при котором под влиянием ультрафиолетовых лучей на открытых частях тела образуются опухоли. Оба признака являются рецессивными. Признаки, которые определяются аллель-ными генами, находящимися в Х- и Y-хромосомах, наследуются как классические менделирующие признаки.

Сперматогенез осуществляется в мужских половых железах (семенниках) и складывается из четырех периодов:

♦ размножения,

♦ роста,

♦ созревания,

♦ формирования сперматозоидов.

Во время периода размножения диплоидные сперматогенные клетки делятся митозом, в результате чего образуется множество более мелких клеток, называемых сперматогониями. Часть образовавшихся сперматогониев может подвергаться повторным митотическим делениям в результате чего образуются такие же клетки сперматогонии, а часть — прекращает делиться и увеличивается в размерах, вступая в следующий период сперматогенеза — период роста.

Увеличившиеся в размерах сперматогонии называются сперматоцитами первого порядка. В ядрах сперматоцитов первого порядка осуществляется весь комплекс процессов и явлений, характерных для профазы I. Период созревания начинается тогда, когда сперматоцит первого порядка подвергается первому мейотическому делению, в результате чего образуются два сперматоцита второго порядка. Затем эти вновь образовавшиеся клетки делятся (второе мейотическое деление), и в результате образуются гаплоидные сперматиды.

Таким образом, в результате мейотического деления одного первичного диплоидного сперматоцита первого порядка возникают четыре гаплоидных сперматиды. Период формирования сперматозоидов характеризуется тем, что первично шаровидные сперматиды подвергаются ряду сложных преобразований, в результате которых образуются сперматозоиды. Причем дифференцирующийся сперматозоид отделяется от остальной массы клетки, называемой остаточным тельцем.

Оогенез достаточно сходен со сперматогенезом. Этот процесс складывается из трех периодов:

♦ размножения,

♦ роста,

♦ созревания.

Все периоды развития яйцеклеток осуществляются в яичниках.

В отличие от образования спермиев, которое происходит только после достижения половой зрелости, процесс образования яйцеклеток начинается еще у зародыша.

Период размножения полностью осуществляется на зародышевой стадии развития и заканчивается к моменту рождения. Он характеризуется тем, что в результате простых мейотических делений первичных половых клеток (оогенных клеток) образуются оогонии. которые снова подвергаются митотическому делению. Дочерние клетки, возникшие в результате деления оогониев, называются оопитами первого порядка. Их возникновение указывает на переход оогенеза в следующую фазу — период роста.

Ооцит увеличивается в размерах и вступает в профазу I. Увеличение размеров ооцитов связано с тем, что в цитоплазме происходит накопление ряда питательных веществ (белков, жиров, углеводов) и пигментов. Затем ооцит первого порядка вступает в период созревания. В результате первого мейотического деления возникают две дочерние клетки. Одна из них, относительно мелкая, называемая первым полярным тельцем, не является функциональной, а другая, более крупная (оопит второго порядка), подвергается дальнейшим преобразованиям.

Второе деление мейоза осуществляется до стадии метафазы II и продолжается только после того, как ооцит второго порядка вступит во взаимодействие со сперматозоидом и произойдет оплодотворение. Таким образом, из яичника выходит, строго говоря, не яйцеклетка, а ооцит второго порядка. Лишь после оплодотворения он делится, в результате чего возникает яйцеклетка и второе полярное тельце. Однако традиционно для удобства яйцеклеткой называют ооцит второго порядка, готовый к взаимодействию со сперматозоидом.

Оплодотворение

Оплодотворение (или сингамия) — это процесс слияния мужских и женских половых клеток, в результате которого образуется оплодотворенная яйцеклетка (зигота).

Процесс оплодотворения начинается с так называемой акросомальной реакции, которая осуществляется в момент соприкосновения головки сперматозоида с поверхностью ооцита. Суть ее заключается в том, что в результате соприкосновения акросома разрывается, а ее содержимое, включающее ряд ферментов (в частности протеазу), высвобождается. Под действием ферментов оболочки яйца разрушаются. Внутренняя поверхность акросомы вытягивается, формируя таким образом акросомальный отросток. Кончик этого отростка вступает в контакт с плазматической мембраной яйца и сливается с ней. В конце концов сперматозоид проникает в яйцеклетку. Клеточная оболочка его разрушается, а ядро высвобождается. После этого мужские и женские ядра набухают, образуя пронуклеусы. Последние сливаются (кариогамия). Это и есть как раз тот момент, который можно назвать собственно оплодотворением. В результате из двух гаплоидных гамет образуется одна диплоидная клетка, называемая зиготой.

Однако для того, чтобы произошло оплодотворение,

сперматозоиду необходимо встретиться с яйцеклеткой. Процесс, обеспечивающий эту встречу, называется осеменением. Различают наружное, внутреннее и смешанное осеменение.

При внутреннем осеменении выделяемая мужчиной семенная жидкость, содержащая сперматозоиды, вводится в половые пути женщины.