Мейоз
Мейоз — особый тип деления клетки, при котором из одной диплоидной клетки образуются обычно четыре генетически различные гаплоидные клетки. Он включает два последовательных деления: мейоз I и мейоз II. Перед ними ДНК удваивается только один раз, поэтому число хромосом уменьшается вдвое.
Мейоз — процесс образования гаплоидных клеток из диплоидной исходной клетки посредством двух последовательных делений после одного удвоения ДНК. Мейоз лежит в основе образования половых клеток и спор у многих организмов.
Значение мейоза и наборы хромосом
В соматических клетках большинства животных содержится диплоидный набор хромосом \(2n\): каждая хромосома представлена парой гомологов — одной материнской и одной отцовской. В половых клетках набор гаплоидный, \(n\): по одной хромосоме из каждой пары. При оплодотворении две гаплоидные клетки сливаются, и диплоидный набор восстанавливается.
Мейоз предотвращает удвоение числа хромосом в каждом поколении. Кроме того, он создаёт наследственную изменчивость благодаря независимому расхождению гомологичных хромосом и кроссинговеру. Поэтому дочерние клетки обычно не являются точными копиями друг друга.
В мейозе I расходятся гомологичные хромосомы, поэтому число хромосом уменьшается с \(2n\) до \(n\). В мейозе II расходятся сестринские хроматиды, а число хромосом обычно не изменяется: \(n \to n\).
| Показатель | До удвоения ДНК | После удвоения ДНК | После мейоза I | После мейоза II |
|---|---|---|---|---|
| Набор хромосом | \(2n\) | \(2n\) | \(n\) | \(n\) |
| Количество ДНК | \(2c\) | \(4c\) | \(2c\) | \(c\) |
| Состояние хромосом | однохроматидные | двухроматидные | двухроматидные | однохроматидные |
Подготовка и мейоз I: редукционное деление
Перед мейозом клетка проходит интерфазу. В синтетический период каждая хромосома удваивает ДНК и становится двухроматидной. Важно: удваиваются не сами хромосомы, а их ДНК; число хромосом при этом не меняется.
- I — Гомологичные хромосомы сближаются и расходятся; набор уменьшается с \(2n\) до \(n\).
- II — Сестринские хроматиды расходятся; образуются четыре гаплоидные клетки.
В профазе I гомологичные хромосомы конъюгируют, то есть сближаются и образуют пары — биваленты. Между гомологами может происходить кроссинговер, при котором участки ДНК обмениваются местами. В метафазе I биваленты выстраиваются по экватору клетки. Ориентация каждой пары случайна.
В анафазе I гомологичные хромосомы расходятся к противоположным полюсам. Центромеры не делятся, поэтому сестринские хроматиды остаются соединёнными. В телофазе I и при цитокинезе образуются две клетки с гаплоидным набором, но хромосомы всё ещё двухроматидные.
Мейоз I называют редукционным делением, потому что число хромосом уменьшается вдвое: из диплоидной клетки \(2n\) образуются две гаплоидные клетки \(n\).
Мейоз II: эквационное деление
Перед мейозом II нового удвоения ДНК не происходит. Каждая из двух клеток вступает во второе деление. В профазе II формируется веретено деления, в метафазе II хромосомы располагаются в экваториальной плоскости.
В анафазе II делятся центромеры, и сестринские хроматиды расходятся к полюсам. После телофазы II и цитокинеза из двух клеток образуются четыре гаплоидные клетки. Каждая хромосома теперь однохроматидная.
В мейозе I расходятся гомологичные хромосомы, а в мейозе II — сестринские хроматиды. Поэтому мейоз II по механизму похож на митоз, но начинается с гаплоидных клеток и не сопровождается удвоением ДНК.
В клетке исходно \(2n=6\). Сколько хромосом и хроматид будет в каждой клетке после мейоза I?
Как возникает генетическое разнообразие
Первый источник разнообразия — кроссинговер в профазе I. Участки гомологичных хромосом обмениваются, и возникают новые сочетания аллелей. Второй источник — независимое расхождение гомологичных хромосом в анафазе I. Материнские и отцовские хромосомы распределяются между клетками независимо.
Если в диплоидной клетке \(n\) пар хромосом и не учитывать кроссинговер, возможны \(2^n\) вариантов сочетаний хромосом в гаметах. У человека \(n=23\), поэтому только независимое расхождение даёт \(2^{23}\) вариантов.
Не называйте мейоз четырьмя делениями: делений два, а конечных клеток обычно четыре. ДНК удваивается один раз, перед мейозом I. В анафазе I расходятся гомологичные хромосомы, а не хроматиды. После мейоза I клетки уже гаплоидные, хотя хромосомы двухроматидные. Число хромосом считают по центромерам, а не по количеству хроматид.
Разобранный пример: подсчёт хромосом и ДНК
У исходной клетки организма диплоидный набор \(2n=8\). Определите число хромосом и молекул ДНК в каждой клетке после мейоза I и после мейоза II.
Сначала определите набор \(n\) или \(2n\), затем отдельно проследите число хромосом и количество ДНК. Удвоение ДНК меняет число хроматид, но не число хромосом; деление центромеры в анафазе II превращает хроматиды в самостоятельные хромосомы.
Мейоз у животных и растений
У животных мейоз обычно участвует в гаметогенезе — образовании мужских и женских гамет. У растений мейоз образует споры, из которых развивается гаплоидное поколение. Поэтому результат и место мейоза зависят от жизненного цикла организма.
В норме мейоз даёт четыре клетки, однако у животных в женском организме деление цитоплазмы может быть неравномерным. Тогда формируется одна крупная яйцеклетка и малые полярные тельца. После мейоза клетки имеют гаплоидный набор.
Итоговая проверка
Главное
- Мейоз состоит из двух делений после одного удвоения ДНК.
- В мейозе I расходятся гомологичные хромосомы, поэтому набор уменьшается с \(2n\) до \(n\).
- В мейозе II расходятся сестринские хроматиды; образуются обычно четыре гаплоидные клетки.
- Кроссинговер и независимое расхождение хромосом создают генетическое разнообразие.
- Для подсчёта важно различать хромосомы, хроматиды и количество ДНК.