Мітоз і мейоз — два способи поділу клітини. Мітоз дає дві клітини з таким самим набором хромосом, як у материнської: завдяки йому організм росте та відновлює тканини. Мейоз — це два поділи поспіль, після яких утворюються чотири клітини з удвічі меншим набором: так утворюються статеві клітини. На цій сторінці — фази мітозу та мейозу по порядку, набір хромосом і ДНК у кожній фазі, кросинговер і кон'югація, таблиця відмінностей мітозу від мейозу та тренажер для самоперевірки.
Життєвий цикл клітини та інтерфаза
Клітина не ділиться безперервно. Її життєвий цикл — це час від появи клітини до її власного поділу, і складається він із двох нерівних частин: тривалої інтерфази (підготовки) та короткого поділу.
Інтерфазу ділять на три періоди:
- G1, пресинтетичний — клітина росте, синтезує білки, набирає об'єм цитоплазми та органоїдів;
- S, синтетичний — відбувається редуплікація ДНК: кожна хромосома добудовує собі другу хроматиду;
- G2, постсинтетичний — клітина запасає енергію, подвоює центріолі, готує білки веретена поділу.
Запам'ятати потрібно головне: подвоєння ДНК відбувається в інтерфазі, ще до початку поділу. І мітоз, і мейоз стартують уже з подвоєним матеріалом — із набором 2n4c. Сама інтерфаза при цьому ні фазою мітозу, ні фазою мейозу не вважається.
В інтерфазі хромосоми не видно навіть у мікроскоп: вони розкручені та знаходяться в ядрі у вигляді хроматину. Як влаштовані ядро, хромосоми та клітинний центр, з якого ростуть нитки веретена, детально розібрано в матеріалі про будову рослинної та тваринної клітини.
Що означає 2n2c: як рахувати хромосоми та ДНК
У записах виду 2n4c літера n позначає число хромосом, а літера c — кількість ДНК (точніше, число хроматид). Гаплоїдний набір — це n, диплоїдний — 2n. Запис 2n2c читається так: «диплоїдний набір хромосом, кожна хромосома з однієї хроматиди», а 2n4c — «диплоїдний набір, кожна хромосома з двох хроматид».
Найчастіша помилка — рахувати хромосоми за хроматидами. Після подвоєння хромосома виглядає як дві палички, але це одна хромосома: обидві хроматиди тримаються на одній центромері. Число хромосом дорівнює числу центромер.
У людини 2n = 46. Отже, у G1-періоді в клітині 46 хромосом і 46 молекул ДНК (2n2c). Після S-періоду хромосом усе ще 46, а молекул ДНК уже 92 (2n4c). І тільки в анафазі мітозу, коли центромери розділяться, хромосом стане 92 — по 46 біля кожного полюса.
Фази мітозу: профаза, метафаза, анафаза, телофаза
Чотири фази мітозу покроково, з набором хромосом і ДНК у кожній, — у схемі нижче. А тут розберемо три питання, на яких найчастіше спотикаються.
Чому в анафазі раптом 4n4c. Поки клітина ціла, у ній удвічі більше хромосом, ніж буде в кожній дочірній: центромери розділилися, і кожна хроматида стала самостійною хромосомою. Але набір рахують і за клітиною цілком (4n4c), і за полюсом (2n2c) — у завданнях завжди дивись, про що запитують.
Чому хромосоми рахують у метафазі. Саме тут вони максимально спіралізовані та вишикувані в один ряд — їх видно і можна перерахувати. Тому каріотип вивчають за метафазними пластинками.
Чим закінчується поділ. Розділення цитоплазми називають цитокінезом, і в рослинної клітини він іде інакше, ніж у тваринної: перегородка росте зсередини, від центру до країв, тому що жорстка клітинна стінка не дає клітині перетягнутися навпіл.
Мейоз I: кон'югація, кросинговер і розходження гомологів
Мейоз — це два поділи поспіль після одного-єдиного подвоєння ДНК. Перший поділ називають редукційним: саме в ньому число хромосом зменшується вдвічі. Порядок фаз і набори — у схемі нижче.
Чому набір зменшується саме тут. Хроматиди в анафазі I не роз'їжджаються — розходяться цілі хромосоми, тому біля полюса виявляється гаплоїдний набір двохроматидних хромосом: n2c, а не nc. Однохроматидними вони стануть тільки після другого поділу.
Навіщо потрібні кон'югація та кросинговер. Пара гомологів, що зблизилися (бівалент) — це дві хромосоми та чотири хроматиди. Обмін ділянками між несестринськими хроматидами перемішує материнські та батьківські гени всередині однієї хромосоми — звідси й береться спадкова мінливість.
Випадковість, яка вирішує багато що. Кожна пара гомологів розгортається до полюсів незалежно від інших. У людини це дає 2²³ ≈ 8,4 мільйона варіантів набору ще до будь-якого кросинговеру.
Між поділами йде короткий інтеркінез — і в ньому немає синтетичного періоду: ДНК вдруге не подвоюється.
Мейоз II: розходження хроматид
Другий поділ мейозу називають екваційним — він проходить за правилами мітозу, але в гаплоїдній клітині. Фази з наборами — у схемі нижче.
Що тут важливо зрозуміти. По екватору вишиковуються поодинокі хромосоми, а не біваленти: гомологам немає з ким кон'югувати, вони розійшлися в попередньому поділі. Центромери цього разу діляться — розходяться сестринські хроматиди.
Чому всі чотири клітини різні. Спочатку кросинговер обміняв ділянками несестринські хроматиди двох гомологів, а потім самі гомологи розійшлися по клітинах випадковими поєднаннями. Тому мейоз дає не копії, а щоразу новий набір генів — на цьому і тримається різноманітність потомства.
Набір хромосом і ДНК за фазами мітозу та мейозу
Завдання «скільки хромосом і молекул ДНК у такій-то фазі» вирішуються механічно, якщо тримати в голові всього два правила: кількість ДНК збільшується тільки в S-періоді, а число хромосом змінюється тільки там, де розходяться хроматиди. Нижче — набір за кожною фазою.
| Фаза | Хромосоми та ДНК |
|---|---|
| Інтерфаза | |
| Пресинтетичний період (G1) | 2n2cхромосоми однохроматидні |
| Синтетичний період (S) | 2n4cДНК подвоїлася |
| Постсинтетичний період (G2) | 2n4cпідготовка до поділу |
| Мітоз | |
| Профаза | 2n4c |
| Метафаза | 2n4cхромосоми на екваторі |
| Анафаза | 4n4cхроматиди розійшлися, біля полюса 2n2c |
| Телофаза | 2n2cв кожній із двох клітин |
| Мейоз I | |
| Профаза I | 2n4cкон'югація та кросинговер |
| Метафаза I | 2n4cна екваторі біваленти |
| Анафаза I | 2n4cгомологи розійшлися, біля полюса n2c |
| Телофаза I | n2cв кожній із двох клітин |
| Мейоз II | |
| Профаза II | n2c |
| Метафаза II | n2cхромосоми на екваторі по одній |
| Анафаза II | 2n2cхроматиди розійшлися, біля полюса nc |
| Телофаза II | ncв кожній із чотирьох клітин |
Відмінності мітозу від мейозу: порівняльна таблиця
Спільного у двох поділів чимало: обидва йдуть після подвоєння ДНК в інтерфазі, в обох однакові назви фаз, обидва використовують веретено поділу та закінчуються поділом цитоплазми. Тому у відповіді зручно спочатку назвати подібності, а потім — відмінності за пунктами таблиці.
| Ознака | Мітоз | Мейоз |
|---|---|---|
| Число поділів | Мітоз: один | Мейоз: два поспіль — мейоз I та мейоз II |
| Скільки клітин виходить | Мітоз: дві | Мейоз: чотири |
| Набір дочірніх клітин | Мітоз: 2n — як у материнської клітини | Мейоз: n — удвічі менше, гаплоїдний |
| Кон'югація та кросинговер | Мітоз: немає | Мейоз: є, у профазі I |
| Що стоїть на екваторі в метафазі | Мітоз: окремі хромосоми в один ряд | Мейоз: у метафазі I — біваленти у два ряди, у метафазі II — окремі хромосоми |
| Що розходиться в анафазі | Мітоз: сестринські хроматиди | Мейоз: в анафазі I — цілі гомологічні хромосоми, в анафазі II — хроматиди |
| Профаза | Мітоз: коротка та проста | Мейоз: профаза I довга та складна |
| Генетичний результат | Мітоз: клітини з тим самим набором генів, що в материнської | Мейоз: клітини з новими поєднаннями генів, усі різні |
| Де відбувається | Мітоз: у соматичних клітинах: ріст, оновлення та відновлення тканин, нестатеве розмноження | Мейоз: при утворенні статевих клітин у тварин і спор у рослин |
Біологічне значення мітозу та мейозу
Значення мітозу — у точності. Дочірні клітини отримують рівно такий самий набір хромосом і генів, як материнська, тому мітоз забезпечує:
- ріст організму та збільшення числа клітин;
- оновлення тканин і загоєння пошкоджень (регенерацію);
- дроблення зиготи після запліднення;
- нестатеве та вегетативне розмноження — від поділу амеби до розмноження рослини живцем.
Значення мейозу — у двох речах одразу.
Перше: сталість числа хромосом виду. Якби статеві клітини були диплоїдними, при кожному заплідненні число хромосом подвоювалося б. Мейоз зменшує набір удвічі, і при злитті гамет (n + n) зигота знову отримує диплоїдний набір 2n.
Друге: комбінативна мінливість. Нові поєднання генів виникають тричі: при кросинговері в профазі I, при випадковому та незалежному розходженні гомологів в анафазі I та при випадковій зустрічі гамет під час запліднення. Тільки завдяки незалежному розходженню людина може дати 2 у степені 23 — більше восьми мільйонів — різних за набором хромосом гамет. Саме це різноманіття дає матеріал для природного добору.
У тварин мейоз іде при утворенні статевих клітин у статевих залозах, у рослин — при утворенні спор.
Розбір завдань
Приклад 1. Скільки хромосом і ДНК у різних фазах мітозу
Завдання: у дрозофіли 2n = 8. Визначте число хромосом і молекул ДНК у профазі, анафазі та телофазі мітозу.
Крок 1. Початок відліку. До поділу, у G1-періоді, набір 2n2c: 8 хромосом і 8 молекул ДНК. У S-періоді ДНК подвоїлася, стало 2n4c — хромосом як і раніше 8, а молекул ДНК 16.
Крок 2. Профаза. Нічого не розходиться, набір той самий: 8 хромосом, 16 молекул ДНК (2n4c).
Крок 3. Анафаза. Центромери розділилися, кожна хроматида стала окремою хромосомою: хромосом стало 16, молекул ДНК теж 16 (4n4c). Біля кожного полюса при цьому по 8 хромосом.
Крок 4. Телофаза. Цитоплазма ділиться, і в кожній із двох молодих клітин виявляється 8 хромосом і 8 молекул ДНК (2n2c).
Перевірка логіки: число молекул ДНК жодного разу не виросло під час самого мітозу — воно тільки поділилося навпіл між клітинами.
Приклад 2. Набір у фазах мейозу
Завдання: у кукурудзи 2n = 20. Скільки хромосом і молекул ДНК у клітині наприкінці телофази I та наприкінці всього мейозу?
Крок 1. Перед мейозом ДНК подвоїлася: 20 хромосом і 40 молекул ДНК (2n4c).
Крок 2. Анафаза I. До полюсів розходяться цілі гомологи, центромери не діляться. Біля кожного полюса збирається по 10 хромосом, і в кожній по дві хроматиди.
Крок 3. Кінець телофази I. У кожній із двох клітин 10 хромосом і 20 молекул ДНК (n2c).
Крок 4. Мейоз II. Подвоєння ДНК не було, тому в анафазі II просто розходяться хроматиди. Наприкінці мейозу виходять чотири клітини, у кожній — 10 хромосом і 10 молекул ДНК (nc).
Відповідь: після першого поділу 10 хромосом і 20 молекул ДНК; після другого — 10 хромосом і 10 молекул ДНК.
Приклад 3. Визначити поділ за описом
Завдання: «У клітині видно 12 структур, кожна з яких складається з чотирьох хроматид. Вони вишикувалися біля екватора у два ряди». Який це поділ і яка фаза? Який вихідний набір клітини?
Крок 1. Структура з чотирьох хроматид — це бівалент, тобто пара гомологічних хромосом, що зблизилися. Біваленти бувають тільки в мейозі: кон'югація пройшла в профазі I.
Крок 2. Біваленти стоять на екваторі у два ряди — значить, фаза метафаза I.
Крок 3. Один бівалент — це дві хромосоми. Бівалентів 12, значить, хромосом 24, а вихідний набір клітини 2n = 24. Молекул ДНК у цій фазі 48 (2n4c).
Відповідь: метафаза мейозу I, 2n = 24, набір клітини 2n4c.
Як не помилитися: якби на екваторі стояли поодинокі двохроматидні хромосоми в один ряд, це була б метафаза мітозу (при 2n) або метафаза II (при гаплоїдному наборі).
Часті помилки
-
Вважають, що ДНК подвоюється в профазі, перед самим поділом.
Подвоєння (редуплікація) ДНК іде в S-періоді інтерфази, задовго до профази. І мітоз, і мейоз починаються вже з набором 2n4c.
-
Рахують хромосоми за хроматидами: бачать 46 двохроматидних хромосом і пишуть «92 хромосоми».
Число хромосом дорівнює числу центромер. Поки хроматиди з'єднані однією центромерою, це одна хромосома: 46 хромосом і 92 молекули ДНК. Хромосом стане 92 тільки в анафазі, коли центромери розділяться.
-
Пишуть, що в анафазі мітозу розходяться гомологічні хромосоми.
В анафазі мітозу розходяться сестринські хроматиди однієї й тієї самої хромосоми. Гомологічні хромосоми розходяться тільки один раз за весь поділ — в анафазі I мейозу.
-
Думають, що перед другим поділом мейозу ДНК подвоюється ще раз.
В інтеркінезі синтетичного періоду немає. Одне подвоєння ДНК — два поділи: саме тому набір у результаті зменшується вдвічі.
-
Відносять кросинговер до мітозу або до метафази I.
Кросинговер іде в профазі I мейозу, коли гомологи з'єднані в бівалент (кон'югація). У мітозі гомологи не кон'югують, тому кросинговеру в ньому немає.
-
Пишуть, що мейоз дає чотири однакові клітини, а число хромосом зменшується вдвічі в кожному з двох поділів.
Набір зменшується вдвічі тільки в першому поділі — він і називається редукційним. Другий поділ число хромосом у клітині не зменшує, він розділяє хроматиди. А чотири клітини, що вийшли, генетично різні: кросинговер і випадкове розходження гомологів дають їм різні поєднання генів.
-
Називають інтерфазу першою фазою мітозу.
Інтерфаза — частина життєвого циклу клітини, а не фаза поділу. Фаз у мітозу чотири: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Але завдання на підрахунок хромосом без інтерфази не вирішити: саме в її S-періоді набір стає 2n4c.
Питання та відповіді
Чим мітоз відрізняється від мейозу, якщо коротко?
Мітоз — один поділ, з клітини виходять дві з колишнім набором 2n і тим самим набором генів. Мейоз — два поділи поспіль після одного подвоєння ДНК, виходять чотири клітини з гаплоїдним набором n, і всі вони розрізняються за поєднанням генів. Крім того, тільки в мейозі є кон'югація та кросинговер, а в анафазі I розходяться цілі гомологічні хромосоми, а не хроматиди.
Скільки клітин утворюється при мітозі та при мейозі?
При мітозі — дві клітини з набором 2n2c. При мейозі — чотири клітини з набором nc. Звідси й різниця в призначенні: мітоз збільшує число однакових клітин, мейоз готує статеві клітини.
У якій фазі відбувається кросинговер?
У профазі першого поділу мейозу. Кросинговер — це обмін однаковими ділянками між несестринськими хроматидами гомологічних хромосом. Він можливий тільки тоді, коли гомологи зближені в бівалент, тобто після кон'югації.
Що таке кон'югація хромосом і бівалент?
Кон'югація — це зближення гомологічних хромосом попарно по всій довжині в профазі I мейозу. Пара, що вийшла, називається бівалентом: у ньому дві хромосоми та чотири хроматиди (тому його іноді називають тетрадою). У метафазі I на екваторі вишиковуються саме біваленти, а не окремі хромосоми.
Чому в анафазі мітозу набір записують як 4n4c?
Тому що центромери розділилися, і кожна колишня хроматида стала самостійною хромосомою. Молекул ДНК залишилося стільки ж (4c), а хромосом тимчасово стало вдвічі більше — 4n. Як тільки цитоплазма розділиться, у кожній із двох клітин виявиться звичайний набір 2n2c.
Де в організмі йде мітоз, а де мейоз?
Мітоз іде в соматичних клітинах: у зонах росту, у шкірі, у слизовій кишечника, у кістковому мозку, при загоєнні ран. Мейоз у тварин проходить у статевих залозах при утворенні статевих клітин, а в рослин — при утворенні спор.
Чи входить інтерфаза в мітоз?
Ні. Інтерфаза — це підготовка до поділу та частина життєвого циклу клітини. У мітозі чотири фази: профаза, метафаза, анафаза та телофаза. Але завдання на підрахунок хромосом без інтерфази не вирішити: саме в її S-періоді набір стає 2n4c.
