Mitoza i mejoza to dwa sposoby podziału komórki. Mitoza daje dwie komórki z takim samym zestawem chromosomów jak komórka macierzysta: dzięki niej organizm rośnie i regeneruje tkanki. Mejoza to dwa następujące po sobie podziały, w wyniku których powstają cztery komórki z dwukrotnie mniejszym zestawem: w ten sposób powstają komórki płciowe. Na tej stronie znajdziesz fazy mitozy i mejozy krok po kroku, zestaw chromosomów i DNA w każdej fazie, crossing-over i koniugację, tabelę różnic między mitozą a mejozą oraz ćwiczenie do samodzielnego sprawdzenia wiedzy.
Cykl życiowy komórki i interfaza
Komórka nie dzieli się w sposób ciągły. Jej cykl życiowy to czas od powstania komórki do jej własnego podziału, który składa się z dwóch nierównych części: długiej interfazy (przygotowania) i krótkiego podziału.
Interfazę dzieli się na trzy okresy:
- G1, presyntetyczny — komórka rośnie, syntetyzuje białka, zwiększa objętość cytoplazmy i organelli;
- S, syntetyczny — zachodzi replikacja DNA: każdy chromosom dobudowuje sobie drugą chromatydę;
- G2, postsyntetyczny — komórka gromadzi energię, podwaja centriole, przygotowuje białka wrzeciona podziałowego.
Należy zapamiętać najważniejsze: podwojenie DNA zachodzi w interfazie, jeszcze przed rozpoczęciem podziału. Zarówno mitoza, jak i mejoza startują już z podwojonym materiałem — z zestawem 2n4c. Sama interfaza nie jest uważana ani za fazę mitozy, ani za fazę mejozy.
W interfazie chromosomy nie są widoczne nawet pod mikroskopem: są rozkręcone i znajdują się w jądrze w postaci chromatyny. Budowa jądra, chromosomów i centrum komórkowego, z którego wyrastają nici wrzeciona, została szczegółowo omówiona w materiale o budowie komórki roślinnej i zwierzęcej.
Co oznacza 2n2c: jak liczyć chromosomy i DNA
W zapisach typu 2n4c litera n oznacza liczbę chromosomów, a litera c — ilość DNA (dokładniej liczbę chromatyd). Zestaw haploidalny to n, diploidalny — 2n. Zapis 2n2c czyta się tak: „zestaw diploidalny chromosomów, każdy chromosom składa się z jednej chromatydy”, a 2n4c — „zestaw diploidalny, każdy chromosom składa się z dwóch chromatyd”.
Najczęstszym błędem jest liczenie chromosomów według chromatyd. Po podwojeniu chromosom wygląda jak dwie pałeczki, ale to jeden chromosom: obie chromatydy trzymają się na jednym centromerze. Liczba chromosomów jest równa liczbie centromerów.
U człowieka 2n = 46. Oznacza to, że w okresie G1 w komórce jest 46 chromosomów i 46 cząsteczek DNA (2n2c). Po okresie S chromosomów jest nadal 46, a cząsteczek DNA już 92 (2n4c). Dopiero w anafazie mitozy, kiedy centromery się podzielą, chromosomów stanie się 92 — po 46 przy każdym biegunie.
Fazy mitozy: profaza, metafaza, anafaza, telofaza
Cztery fazy mitozy krok po kroku, z zestawem chromosomów i DNA w każdej, przedstawiono na schemacie poniżej. A tutaj omówimy trzy kwestie, na których najczęściej można się potknąć.
Dlaczego w anafazie nagle 4n4c. Dopóki komórka jest w całości, ma dwukrotnie więcej chromosomów niż będzie miała każda komórka potomna: centromery się podzieliły, a każda chromatyda stała się samodzielnym chromosomem. Ale zestaw liczy się zarówno dla całej komórki (4n4c), jak i dla bieguna (2n2c) — w zadaniach zawsze patrz, o co pytają.
Dlaczego chromosomy liczy się w metafazie. To właśnie tutaj są maksymalnie spiralizowane i ustawione w jednym rzędzie — widać je i można je policzyć. Dlatego kariotyp bada się na płytkach metafazowych.
Czym kończy się podział. Podział cytoplazmy nazywamy cytokinezą, a u komórki roślinnej przebiega on inaczej niż u zwierzęcej: przegroda rośnie od wewnątrz, od środka do brzegów, ponieważ sztywna ściana komórkowa nie pozwala komórce przewęzić się na pół.
Mejoza I: koniugacja, crossing-over i rozchodzenie się homologów
Mejoza to dwa podziały następujące po sobie po jednym jedynym podwojeniu DNA. Pierwszy podział nazywamy redukcyjnym: to właśnie w nim liczba chromosomów zmniejsza się o połowę. Kolejność faz i zestawy — na schemacie poniżej.
Dlaczego zestaw zmniejsza się właśnie tutaj. Chromatydy w anafazie I nie rozchodzą się — rozchodzą się całe chromosomy, dlatego przy biegunie znajduje się haploidalny zestaw dwuchromatydowych chromosomów: n2c, a nie nc. Jednochromatydowe staną się dopiero po drugim podziale.
Po co potrzebne są koniugacja i crossing-over. Para zbliżonych homologów (biwalent) — to dwa chromosomy i cztery chromatydy. Wymiana odcinków między niesiostrzanymi chromatydami miesza geny matczyne i ojcowskie wewnątrz jednego chromosomu — stąd bierze się zmienność dziedziczna.
Przypadek, który decyduje o wielu rzeczach. Każda para homologów ustawia się w stronę biegunów niezależnie od pozostałych. U człowieka daje to 2²³ ≈ 8,4 miliona wariantów zestawu jeszcze przed jakimkolwiek crossing-overem.
Między podziałami zachodzi krótki interkineza — i nie ma w niej okresu syntetycznego: DNA nie podwaja się po raz drugi.
Mejoza II: rozchodzenie się chromatyd
Drugi podział mejozy nazywamy ekwacyjnym — przebiega on według zasad mitozy, ale w komórce haploidalnej. Fazy z zestawami — na schemacie poniżej.
Co tutaj ważne, by zrozumieć. Wzdłuż równika ustawiają się pojedyncze chromosomy, a nie biwalenty: homologi nie mają z kim koniugować, rozeszły się w poprzednim podziale. Centromery tym razem dzielą się — rozchodzą się siostrzane chromatydy.
Dlaczego wszystkie cztery komórki są różne. Najpierw crossing-over wymienił odcinki między niesiostrzanymi chromatydami dwóch homologów, a potem same homologi rozeszły się do komórek w przypadkowych kombinacjach. Dlatego mejoza daje nie kopie, a za każdym razem nowy zestaw genów — na tym opiera się różnorodność potomstwa.
Zestaw chromosomów i DNA w fazach mitozy i mejozy
Zadania typu „ile chromosomów i cząsteczek DNA jest w danej fazie” rozwiązuje się mechanicznie, jeśli pamięta się tylko dwie zasady: ilość DNA zwiększa się tylko w okresie S, a liczba chromosomów zmienia się tylko tam, gdzie rozchodzą się chromatydy. Poniżej — zestaw dla każdej fazy.
| Faza | Chromosomy i DNA |
|---|---|
| Interfaza | |
| Okres presyntetyczny (G1) | 2n2cchromosomy jednochromatydowe |
| Okres syntetyczny (S) | 2n4cDNA się podwoiło |
| Okres postsyntetyczny (G2) | 2n4cprzygotowanie do podziału |
| Mitoza | |
| Profaza | 2n4c |
| Metafaza | 2n4cchromosomy na równiku |
| Anafaza | 4n4cchromatydy się rozeszły, przy biegunie 2n2c |
| Telofaza | 2n2cw każdej z dwóch komórek |
| Mejoza I | |
| Profaza I | 2n4ckoniugacja i crossing-over |
| Metafaza I | 2n4cna równiku biwalenty |
| Anafaza I | 2n4chomologi się rozeszły, przy biegunie n2c |
| Telofaza I | n2cw każdej z dwóch komórek |
| Mejoza II | |
| Profaza II | n2c |
| Metafaza II | n2cchromosomy na równiku pojedynczo |
| Anafaza II | 2n2cchromatydy się rozeszły, przy biegunie nc |
| Telofaza II | ncw każdej z czterech komórek |
Różnice między mitozą a mejozą: tabela porównawcza
Wspólnych cech obu podziałów jest sporo: oba zachodzą po podwojeniu DNA w interfazie, oba mają takie same nazwy faz, oba wykorzystują wrzeciono podziałowe i kończą się podziałem cytoplazmy. Dlatego w odpowiedzi wygodnie jest najpierw wymienić podobieństwa, a potem — różnice według punktów tabeli.
| Cecha | Mitoza | Mejoza |
|---|---|---|
| Liczba podziałów | Mitoza: jeden | Mejoza: dwa pod rząd — mejoza I i mejoza II |
| Ile komórek powstaje | Mitoza: dwie | Mejoza: cztery |
| Zestaw komórek potomnych | Mitoza: 2n — jak u komórki macierzystej | Mejoza: n — dwukrotnie mniejszy, haploidalny |
| Koniugacja i crossing-over | Mitoza: brak | Mejoza: występują, w profazie I |
| Co stoi na równiku w metafazie | Mitoza: pojedyncze chromosomy w jednym rzędzie | Mejoza: w metafazie I — biwalenty w dwóch rzędach, w metafazie II — pojedyncze chromosomy |
| Co rozchodzi się w anafazie | Mitoza: siostrzane chromatydy | Mejoza: w anafazie I — całe chromosomy homologiczne, w anafazie II — chromatydy |
| Profaza | Mitoza: krótka i prosta | Mejoza: profaza I długa i złożona |
| Wynik genetyczny | Mitoza: komórki z tym samym zestawem genów co macierzysta | Mejoza: komórki z nowymi kombinacjami genów, wszystkie różne |
| Gdzie zachodzi | Mitoza: w komórkach somatycznych: wzrost, odnowa i regeneracja tkanek, rozmnażanie bezpłciowe | Mejoza: przy tworzeniu komórek płciowych u zwierząt i zarodników u roślin |
Biologiczne znaczenie mitozy i mejozy
Znaczenie mitozy — to precyzja. Komórki potomne otrzymują dokładnie taki sam zestaw chromosomów i genów jak macierzysta, dlatego mitoza zapewnia:
- wzrost organizmu i zwiększenie liczby komórek;
- odnowę tkanek i gojenie uszkodzeń (regenerację);
- bruzdkowanie zygoty po zapłodnieniu;
- rozmnażanie bezpłciowe i wegetatywne — od podziału ameby po rozmnażanie rośliny przez sadzonki.
Znaczenie mejozy — to dwie rzeczy jednocześnie.
Pierwsza: stałość liczby chromosomów gatunku. Gdyby komórki płciowe były diploidalne, przy każdym zapłodnieniu liczba chromosomów podwajałaby się. Mejoza zmniejsza zestaw o połowę, a przy połączeniu gamet (n + n) zygota znów otrzymuje zestaw diploidalny 2n.
Druga: zmienność kombinacyjna. Nowe kombinacje genów powstają trzykrotnie: podczas crossing-overu w profazie I, przy przypadkowym i niezależnym rozchodzeniu się homologów w anafazie I oraz przy przypadkowym spotkaniu gamet podczas zapłodnienia. Tylko dzięki niezależnemu rozchodzeniu się człowiek może dać 2 do potęgi 23 — ponad osiem milionów — różnych pod względem zestawu chromosomów gamet. Właśnie ta różnorodność dostarcza materiału dla doboru naturalnego.
U zwierząt mejoza zachodzi przy tworzeniu komórek płciowych w gruczołach płciowych, u roślin — przy tworzeniu zarodników.
Analiza zadań
Przykład 1. Ile chromosomów i DNA w różnych fazach mitozy
Zadanie: u muszki owocowej 2n = 8. Określ liczbę chromosomów i cząsteczek DNA w profazie, anafazie i telofazie mitozy.
Krok 1. Punkt odniesienia. Przed podziałem, w okresie G1, zestaw 2n2c: 8 chromosomów i 8 cząsteczek DNA. W okresie S DNA się podwoiło, stało się 2n4c — chromosomów jest nadal 8, a cząsteczek DNA 16.
Krok 2. Profaza. Nic się nie rozchodzi, zestaw jest ten sam: 8 chromosomów, 16 cząsteczek DNA (2n4c).
Krok 3. Anafaza. Centromery się podzieliły, każda chromatyda stała się oddzielnym chromosomem: chromosomów stało się 16, cząsteczek DNA też 16 (4n4c). Przy każdym biegunie jest przy tym po 8 chromosomów.
Krok 4. Telofaza. Cytoplazma dzieli się, i w każdej z dwóch młodych komórek znajduje się 8 chromosomów i 8 cząsteczek DNA (2n2c).
Sprawdzenie logiki: liczba cząsteczek DNA ani razu nie wzrosła podczas samej mitozy — tylko podzieliła się na pół między komórki.
Przykład 2. Zestaw w fazach mejozy
Zadanie: u kukurydzy 2n = 20. Ile chromosomów i cząsteczek DNA jest w komórce pod koniec telofazy I i pod koniec całej mejozy?
Krok 1. Przed mejozą DNA się podwoiło: 20 chromosomów i 40 cząsteczek DNA (2n4c).
Krok 2. Anafaza I. Do biegunów rozchodzą się całe homologi, centromery nie dzielą się. Przy każdym biegunie zbiera się po 10 chromosomów, i w każdym po dwie chromatydy.
Krok 3. Koniec telofazy I. W każdej z dwóch komórek jest 10 chromosomów i 20 cząsteczek DNA (n2c).
Krok 4. Mejoza II. Podwojenia DNA nie było, dlatego w anafazie II po prostu rozchodzą się chromatydy. Pod koniec mejozy powstają cztery komórki, w każdej — 10 chromosomów i 10 cząsteczek DNA (nc).
Odpowiedź: po pierwszym podziale 10 chromosomów i 20 cząsteczek DNA; po drugim — 10 chromosomów i 10 cząsteczek DNA.
Przykład 3. Określenie podziału na podstawie opisu
Zadanie: „W komórce widać 12 struktur, z których każda składa się z czterech chromatyd. Ustawiły się one wzdłuż równika w dwa rzędy”. Jaki to podział i jaka faza? Jaki jest wyjściowy zestaw komórki?
Krok 1. Struktura z czterech chromatyd — to biwalent, czyli para zbliżonych chromosomów homologicznych. Biwalenty występują tylko w mejozie: koniugacja zaszła w profazie I.
Krok 2. Biwalenty stoją na równiku w dwa rzędy — oznacza to fazę metafaza I.
Krok 3. Jeden biwalent — to dwa chromosomy. Biwalentów jest 12, oznacza to, że chromosomów jest 24, a wyjściowy zestaw komórki 2n = 24. Cząsteczek DNA w tej fazie jest 48 (2n4c).
Odpowiedź: metafaza mejozy I, 2n = 24, zestaw komórki 2n4c.
Jak nie popełnić błędu: gdyby na równiku stały pojedyncze dwuchromatydowe chromosomy w jednym rzędzie, byłaby to metafaza mitozy (przy 2n) lub metafaza II (przy zestawie haploidalnym).
Częste błędy
-
Uważają, że DNA podwaja się w profazie, tuż przed podziałem.
Podwojenie (replikacja) DNA zachodzi w okresie S interfazy, na długo przed profazą. Zarówno mitoza, jak i mejoza zaczynają się już z zestawem 2n4c.
-
Liczą chromosomy według chromatyd: widzą 46 dwuchromatydowych chromosomów i piszą „92 chromosomy”.
Liczba chromosomów jest równa liczbie centromerów. Dopóki chromatydy są połączone jednym centromerem, to jeden chromosom: 46 chromosomów i 92 cząsteczki DNA. Chromosomów stanie się 92 dopiero w anafazie, kiedy centromery się podzielą.
-
Piszą, że w anafazie mitozy rozchodzą się chromosomy homologiczne.
W anafazie mitozy rozchodzą się siostrzane chromatydy tego samego chromosomu. Chromosomy homologiczne rozchodzą się tylko raz podczas całego podziału — w anafazie I mejozy.
-
Myślą, że przed drugim podziałem mejozy DNA podwaja się jeszcze raz.
W interkinezie okresu syntetycznego nie ma. Jedno podwojenie DNA — dwa podziały: właśnie dlatego zestaw w efekcie zmniejsza się o połowę.
-
Zaliczają crossing-over do mitozy lub do metafazy I.
Crossing-over zachodzi w profazie I mejozy, kiedy homologi są połączone w biwalent (koniugacja). W mitozie homologi nie koniugują, dlatego crossing-overu w nim nie ma.
-
Piszą, że mejoza daje cztery jednakowe komórki, a liczba chromosomów zmniejsza się o połowę w każdym z dwóch podziałów.
Zestaw zmniejsza się o połowę tylko w pierwszym podziale — nazywa się on redukcyjnym. Drugi podział nie zmniejsza liczby chromosomów w komórce, rozdziela on chromatydy. A powstałe cztery komórki są genetycznie różne: crossing-over i przypadkowe rozchodzenie się homologów dają im różne kombinacje genów.
-
Nazywają interfazę pierwszą fazą mitozy.
Interfaza — to część cyklu życiowego komórki, a nie faza podziału. Faz mitozy jest cztery: profaza, metafaza, anafaza, telofaza. Ale zadań na liczenie chromosomów bez interfazy nie da się rozwiązać: właśnie w jej okresie S zestaw staje się 2n4c.
Pytania i odpowiedzi
Czym mitoza różni się od mejozy, w skrócie?
Mitoza — jeden podział, z komórki powstają dwie z poprzednim zestawem 2n i tym samym zestawem genów. Mejoza — dwa podziały pod rząd po jednym podwojeniu DNA, powstają cztery komórki z zestawem haploidalnym n, i wszystkie różnią się kombinacją genów. Ponadto tylko w mejozie występuje koniugacja i crossing-over, a w anafazie I rozchodzą się całe chromosomy homologiczne, a nie chromatydy.
Ile komórek powstaje przy mitozie i przy mejozie?
Przy mitozie — dwie komórki z zestawem 2n2c. Przy mejozie — cztery komórki z zestawem nc. Stąd różnica w przeznaczeniu: mitoza zwiększa liczbę jednakowych komórek, mejoza przygotowuje komórki płciowe.
W której fazie zachodzi crossing-over?
W profazie pierwszego podziału mejozy. Crossing-over — to wymiana jednakowych odcinków między niesiostrzanymi chromatydami chromosomów homologicznych. Jest możliwy tylko wtedy, gdy homologi są zbliżone w biwalent, czyli po koniugacji.
Co to jest koniugacja chromosomów i biwalent?
Koniugacja — to zbliżenie chromosomów homologicznych parami na całej długości w profazie I mejozy. Powstała para nazywa się biwalentem: w nim są dwa chromosomy i cztery chromatydy (dlatego czasami nazywa się go tetrady). W metafazie I na równiku ustawiają się właśnie biwalenty, a nie pojedyncze chromosomy.
Dlaczego w anafazie mitozy zestaw zapisuje się jako 4n4c?
Ponieważ centromery się podzieliły, a każda była chromatyda stała się samodzielnym chromosomem. Cząsteczek DNA pozostało tyle samo (4c), a chromosomów tymczasowo stało się dwukrotnie więcej — 4n. Gdy tylko cytoplazma się podzieli, w każdej z dwóch komórek znajdzie się zwykły zestaw 2n2c.
Gdzie w organizmie zachodzi mitoza, a gdzie mejoza?
Mitoza zachodzi w komórkach somatycznych: w strefach wzrostu, w skórze, w błonie śluzowej jelit, w szpiku kostnym, przy gojeniu ran. Mejoza u zwierząt zachodzi w gruczołach płciowych przy tworzeniu komórek płciowych, a u roślin — przy tworzeniu zarodników.
Czy interfaza wchodzi w skład mitozy?
Nie. Interfaza — to przygotowanie do podziału i część cyklu życiowego komórki. W mitozie są cztery fazy: profaza, metafaza, anafaza i telofaza. Ale zadań na liczenie chromosomów bez interfazy nie da się rozwiązać: właśnie w jej okresie S zestaw staje się 2n4c.
