Мейоза — редукционно делене: как се образуват гамети и защо е важна
Мейоза — редукционно делене: как се образуват гамети и защо е важна. Научете как мейозата създава гамети, възстановява диплоидността и повишава генетичната вариация.
Мейозата е специален вид клетъчно делене. За разлика от митозата — процеса на делене при повечето телесни клетки — при мейозата се получават клетки с половината от обичайния брой хромозоми: по една от всяка хомоложна двойка. Поради това мейозата често се нарича редукционно делене. В дългосрочен план мейозата увеличава генетичната вариация по начин, който ще бъде обяснен по-долу.
Половото размножаване се осъществява, когато сперматозоид оплоди яйцеклетка. Яйцеклетките и сперматозоидите са специални клетки, наречени гамети или полови клетки. Гаметите са хаплоидни; те имат само половината от броя на хромозомите в сравнение с нормална телесна клетка (наречена соматична клетка). Оплождането възстановява броя на хромозомите в телесните клетки до диплоидния.
Основният брой хромозоми в телесните клетки на даден вид се нарича соматичен брой и се обозначава като 2n. При хората 2n = 46: имаме 46 хромозоми. В половите клетки броят на хромозомите е n (при човека: n = 23). Така че при нормалните диплоидни организми хромозомите са налични в две копия, по едно от всеки родител (23x2=46). Единственото изключение са половите хромозоми. При бозайниците женската има две Х хромозоми, а мъжката — една Х и една Y хромозома.
Кариотипът е характерният брой хромозоми за даден вид еукариот. Изготвянето и изучаването на кариотипи е част от цитогенетиката — науката за структурата и измененията на хромозомите. Анализът на кариотипа служи за диагностика на вродени аномалии и за научни изследвания.
Всички еукариоти, които се размножават по полов път, използват мейоза. Това включва и много едноклетъчни организми. Мейоза не се среща при археите и бактериите, които се размножават чрез безполови процеси, като например бинарно делене.
Какво се случва по време на мейозата
Мейозата включва две последователни деления — мейоза I и мейоза II — които водят от една диплоидна клетка до четири хаплоидни дъщерни клетки. Обобщено:
- Мейоза I е редукционно делене: разделят се хомоложните хромозоми, което намалява хромозомния брой наполовина.
- Мейоза II е еквационно (подобно на митоза): разделят се сестринските хроматиди, в резултат на което всяка хаплоидна клетка дава две хаплоидни клетки.
Фази на мейозата и ключови процеси
Подробните събития включват няколко подфази, особено в профаза I, където стават най-важните генетични промени:
- Профаза I — хомоложните хромозоми се подреждат една до друга (синапсис) и се образва структурата на тетради. В тази фаза се случва кръстосване (crossing-over) — обмен на генетичен материал между немесични хроматиди, който създава нови комбинации от алели. Обменът се вижда като хиазми (chiasmata).
- Метафаза I — хомоложните двойки се подреждат на екватора на клетката; тяхното случайно разпределение (независимо разпределение) е източник на допълнителна генетична вариация.
- Анафаза I — хомоложните хромозоми се разделят и се придвижват към полюсите (намалява се броят на хромозомите).
- Телофаза I и цитокинеза — клетката често временно се разделя; резултатът са две хаплоидни клетки с репликирани (съставени от две сестрински хроматиди) хромозоми.
- Мейоза II (профаза II, метафаза II, анафаза II, телофаза II) — сестринските хроматиди се разделят и в крайна сметка се образуват четири неповторими хаплоидни клетки.
Значение за генетичната вариация
Два основни механизма на мейозата увеличават генетичното разнообразие:
- Кросинговърът създава нови комбинации от алели в рамките на една хромозома.
- Независимото разпределение на хомоложните хромозоми при мекафаза I означава, че всяка гамета получава случайна комбинация от хромозоми от двамата родители.
Комбинацията от тези процеси и последващото оплождане води до огромно разнообразие от генетични комбинации в популациите, което е гориво за естествения подбор и еволюцията.
Гаметогенеза: оогенеза и сперматогенеза
При многоклетъчните животни мейозата е част от процеса на образуване на гамети:
- Сперматогенеза — при мъжете клетките преминават непрекъснато през мейоза след пубертета и дават голям брой сперматозоиди.
- Оогенеза — при жените образуването на яйцеклетки включва периоди на спиране (арест) в различни фази на мейозата; при човека първичното ооцитно арестиране често се случва в профаза I и се възобновява при овулация; окончателното разделяне (включително второто делене) приключва едва при оплождане.
Грешки в мейозата и клинично значение
Неправилното разделяне на хромозомите (недисюнкция) по време на мейозата може да доведе до клетки с неправилен брой хромозоми (анеуплоидия). Примери при човека:
- Трисомия 21 (синдром на Даун) — три копия на хромозома 21.
- Синдром на Търнър (XO) — липса на единия полов хромозом при жените.
- Клайнфелтеров синдром (XXY) — допълнителен X хромозом при мъжете.
Анеуплоидиите често водят до понижена плодовитост, спонтанни аборти или вродени заболявания, затова правилното протичане на мейозата е критично за здравето и вида.
Кратко резюме
Мейозата е специализиран процес, чрез който диплоидни клетки образуват хаплоидни гамети. Тя намалява броя на хромозомите наполовина, възстановява се при оплождането и чрез механизми като кросинговър и независимо разпределение увеличава генетичната вариация. Разбирането на мейозата е ключово както за биологията на възпроизвеждането, така и за клиничната генетика и еволюционната биология.
Кръстосването се осъществява между хроматидите на хомоложните хромозоми
Мейозата като част от половото размножаване
Значението на оплождането
Потомството получава по един набор хромозоми от всеки родител, така че като цяло половината от наследствеността му идва от всеки родител. Но двата набора хромозоми не са идентични с родителските хромозоми. Това е така, защото те се променят по време на редукционното делене чрез процес, наречен кросинговър.
Значението на мейозата
Това се дължи на две причини:
1. Първо, да се намали броят на хромозомите във всяка яйцеклетка или сперматозоид само до един набор.
Двете хромозоми в една двойка не са идентични, тъй като при всеки конкретен локус на хромозомите може да има различни алели (форми на гена) на двете хромозоми. Помислете за всяка двойка хромозоми, по един комплект от всеки родител. От всяка двойка само една влиза във всяка гамета. Така че, на първо място, гаметите се различават, защото от всяка двойка гаметата може да има хромозома на бащата или на майката. Това се нарича "независим асортимент".
2. Да се позволи кръстосване между всяка двойка родителски хромозоми. Кръстосването променя алелите в дадена хромозома.
Така че, макар и описани като хромозоми на майката и бащата, на практика хромозомите на гаметите не са същите като хромозомите на родителите. Това е така, защото части от хромозомите са били разменени в процеса на мейоза.
Въпреки че гаметите имат само един набор хромозоми, този набор е разбъркана смес от генетичен материал от двамата родители. Всяка отделна яйцеклетка или сперматозоид може да има различен набор от алели от родителските хромозоми.
Както при разбъркването на тесте карти, много различни комбинации от гени могат да се получат без промяна (мутация) в отделен ген. Въпреки това мутации се случват и те могат да добавят алели, които не са били в популацията преди. Във всеки случай разбъркването увеличава разнообразието на потомството, а разнообразието дава поне на някои от потомците по-добър шанс да оцелеят в трудни времена. Разбъркването на алелите, което се извършва при мейозата, може би е причината за съществуването на половото размножаване.
"Не е трудно да се измислят причини, поради които сексуалните популации да имат дългосрочни предимства пред асексуалните. Те могат да еволюират по-бързо, за да отговорят на променящите се обстоятелства..."
Специални случаи
Циклична партеногенеза
Няколко доста големи таксона (групи организми) използват циклична партеногенеза. Това е, когато няколко поколения се раждат чрез девствено раждане, а след това се появява поколение с нормално полово размножаване. Примери за това са пчелите и кладоцераните (малки ракообразни, наречени водни бълхи). Обикновено акарите действат по следния начин: когато времето е хубаво и растенията им-гостоприемници са в най-добро състояние, те използват партеногенеза. В края на сезона, когато времето се влоши, те използват полово размножаване. Тази система на размножаване се нарича апогамия.
При партеногенезата яйцеклетките съдържат само генетичния материал на майката и не се оплождат. Яйцеклетките могат да се получат чрез мейоза или митоза. При мейоза, при кръстосване се получава генетичен отпечатък, който се различава в известна степен от този на майката. Така че партеногенетичното потомство на зелената муха не е идентично и показва известна генетична вариация: някои хромозомни сегменти се различават поради мейозата. Митозата би довела до идентично потомство.
Сред тези партеногенетични таксони има редица видове, които напълно са се отказали от пола.
Загуба на сексуалност
Няколко еукариотни организми са загубили напълно способността си за полово размножаване и затова нямат мейоза. Към тях спадат Bdelloidrotifers, които се размножават само чрез партеногенеза.
Подробности за мейозата
Мейозата може да се раздели на мейоза I и мейоза II.
Мейоза I
Функцията на първото разделение е да позволи преминаването. Подобно на митозата, мейозата включва профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
Профаза I
Хромозомите стават видими, ядрената обвивка изчезва, а центриолите (в горната и долната част на ядрото) започват да образуват вретеновидни влакна, които обгръщат хромозомите.
На този етап всяка хромозома се разделя на две сестрински хроматиди, които се държат заедно от центромерите. Сега сдвоените хромозоми имат четири хроматиди (2 комплекта "сестри"), притиснати една към друга. Кръстосването се извършва между две от несестринските хроматиди; другите две остават некръстосани. Кръстосването води до размяна на сегменти от всяка от участващите хроматиди, ДНК и свързания с нея хроматинов протеин. От генетична гледна точка процесът се нарича рекомбинация.
Метафаза I
Хромозомите се подреждат по екваториалната (централната) линия на влакната на вретеното в хомоложни двойки.
Анафаза I
Хромозомите се разделят така, че от двете страни на клетката да има еднакви количества. Тъй като в една човешка клетка има 46 хромозоми, 23 се намират от двете страни.
(Настъпва цитокинеза - разделяне на клетките на две.) Клетката се разделя.
Телофаза I
Двете дъщерни клетки са напълно разделени, образува се нуклеинова обвивка и хромозомите стават по-малко видими. Във всяка от тези клетки има 23 хромозоми.
Мейоза II
Двете клетки се подготвят да се разделят отново на етап, известен като интеркинеза или интерфаза II. И двете клетки ще преминат през мейоза II.
Профаза II
Хромозомите стават видими, ядрената обвивка изчезва, а центриолите образуват влакната на вретеното.
Метафаза II
Хромозомите се подреждат по средната линия на влакната на вретеното
Анафаза II
Хромозомите се разделят на две хроматиди. Хроматидите са двете нишки ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина), които изграждат хромозомата. Те са свързани с междинна връзка, наречена центромера.
(Извършва се цитокинеза. Клетката се разделя.)
Теофаза II
Клетките са напълно разделени. Нуклеиновата обвивка се реформира и се създават четири нови клетки с различна ДНК.
При мъжете и четирите клетки се превръщат в сперматозоиди. При жените само една от тях се превръща в зряла яйцеклетка, а останалите три се абсорбират отново в тялото.
Събития, включващи мейоза, показващи хромозомно кръстосване
Проблеми
При хората има някои състояния, които се дължат на неправилно протичане на мейозата. Примери за това са:
- Синдром на Даун - тризомия на хромозома 21
- Синдром на Патау - тризомия на хромозома 13
- Синдром на Едуардс - тризомия на хромозома 18
- Синдром на Клайнфелтер - допълнителни Х хромозоми при мъжете - т.е. XXY, XXXY, XXXXY
- Синдром на Търнър - липса на една Х хромозома при жените - т.е. XO
- Синдром на тройния Х - допълнителна Х хромозома при жените
- Синдром XYY - допълнителна Y хромозома при мъжете
Въпроси и отговори
В: Какво представлява мейозата?
О: Мейозата е специален вид клетъчно делене, в резултат на което се получават клетки с половината от обичайния брой хромозоми - по една от всяка двойка. Известна е също като редукционно делене.
В: Как мейозата увеличава генетичната вариация?
О: Мейозата увеличава генетичната вариация, като създава нови комбинации от гени чрез процеса на кръстосване по време на профаза I и случайна сегрегация по време на анафаза I.
В: Какво представляват гаметите?
О.: Гаметите са специални клетки, наречени полови клетки или хаплоидни клетки, които имат само половината от броя на хромозомите в сравнение с нормалната телесна клетка (наречена соматична клетка).
В: Какво е соматичното число?
О: Основният брой хромозоми в телесните клетки на даден вид се нарича соматичен брой и се обозначава като 2n. При хората 2n = 46, което означава, че имаме 46 хромозоми.
В: Колко хромозоми имат половите клетки?
О: Половите клетки имат n хромозоми, което за човека е 23. Така че в нормалните диплоидни организми има две копия на всяка хромозома - по едно от всеки родител (23x2=46). Единственото изключение от това правило са половите хромозоми; при бозайниците женските имат две Х хромозоми, а мъжките - една Х и една Y хромозома.
Въпрос: Мейозата се среща при археите или бактериите?
О: Не, при археите и бактериите не се наблюдава мейоза; вместо това те се размножават чрез обикновено клетъчно делене.
В: Половото размножаване среща ли се сред едноклетъчните организми?
О: Да, половото размножаване се среща сред едноклетъчните организми, тъй като те също използват мейоза за полово размножаване.
обискирам