Жизненный цикл клетки, мейоз, митоз и 11 их отличий

В этой статье разберем разные типы деления клеток. Вспомним состав клетки и фазы жизненного цикла, что такое митоз, мейоз, амитоз, чем они отличаются. Поясняющие картинки и подобранные видео и GIF-анимации помогут быстро понять суть. В конце статьи — итоговая сравнительная таблица с 11 отличительными признаками митоза и мейоза.

Жизненный цикл клетки

Представляет собой последовательность событий, чередующихся с периодами деления и неделения, который охватывает период с момента образования клетки до ее собственного деления. Клеточный цикл включает три основных этапа: интерфазу, митоз и цитокинез.

1. Интерфаза:
   1. G1-фаза (производственная фаза): Клетка растет в размерах, активно синтезирует белки, продолжая выполнять свою специфическую функцию в организме.
   2. S-фаза (синтез ДНК): Происходит синтез ДНК, каждая хромосома дублируется, образуя двойную хромосому из 2 сестринских хроматид.

      

   3. G2-фаза (подготовительная фаза): Клетка продолжает расти и готовится к делению. Проверки ошибок и подготовка клеточных структур для митоза.
2. Митоз — его фазы описаны далее.
3. Цитокинез — клетка делится цитоплазмой и остальными клеточными компонентами, образуя две дочерние клетки. После завершения цитокинеза, каждая из дочерних клеток входит в новый клеточный цикл. И снова начинается интерфаза.

Также есть фаза G0, когда клетка находится в состоянии покоя — не делится и не готовится к делению. Иногда ее называют растянутой G1-фазой.

Не все клетки способны к делению. Эритроциты — красные кровяные тельца, задача которых переносить кислород. Они рождаются из стволовых клетках в красном костном мозге. Молодые эритроциты имеют ядро, как и другие клетки, но по мере взросления и заполнения гемоглобином эритроцит теряет ядро и вместе с ним способность к делению.

Гаплоидный (1n1c), диплоидный (2n2c) и удвоение ДНК (2n4c)

В генетике есть принятые сокращения, отражающие состав ДНК и его изменения при делении. Чтобы понимать что значит 2n2c и почему оно становится 2n4c или 1n2c разберем ниже что такое n и что такое c.

Генетический аппарат эукариот состоит из нескольких молекул ДНК, которые находятся в ядре клетки и связаны белками. Каждая такая молекула ДНК, связанная с белком, называется хромосомой. Хромосомы отличаются друг от друга по длине, форме и генетическому составу.

Эукариоты — живые организмы, клетки которых содержит ядро (животные, грибы, растения). Прокариот — организм, клетки которого не содержат ядра.

• Если генетический аппарат представлен одной копией каждой хромосомы, он называется гаплоидным и обозначается буквой n.

• Если каждая хромосома встречается в ядре 2 раза — он называется диплоидным и обозначается 2n

Таким образом, “плоидность” — это количество одинаковых наборов хромосом:

n — гаплоидность,
2n — диплоидность,
3n — триплоидность,
4n — тетраплоидность.

Строение хромосомы

Каждая хромосома содержит 1 молекулу ДНК, но во время S-фазы интерфазы количество ДНК удваивается (происходит репликация). Количество молекул ДНК обозначается буквой c. Таким образом если изначально клетка имела гаплоидный набор хромосом 1n1c, то после репликации его плоидность (число хромосом) сохранится, но количество ДНК увеличится вдвое до 1n2c:

Если изначально набор был диплоидный, то количество ДНК также двойное 2n2c. После репликации количество ДНК удваивается до 2n4c:

Резюмируя

n показывает число идентичных хромосом (набор хромосом), а c — количество молекул ДНК в хромосоме

Способы деления эукариотических клеток

Существует три типа деления:

1. Амитоз — прямое,
2. Митоз — непрямое,
3. Мейоз — редукционное деление.

Амитоз — редкий способ деления клетки, характерный для стареющих или опухолевых клеток, а также для клеток низших существ, таких как бактерии. Амитоз проходит быстрее других и делит клетку на пару дочерних без точного и равномерного разделения генетического материала. Мы не будем рассматривать его в этой статье.

Митоз и его фазы

Клеточный цикл, начавшийся с интерфазы, переходит в митоз, при котором образуются соматические (телесные) клетки. Его главная цель — способствовать росту, восстанавливать старые поврежденные ткани.

Митоз осуществляется в четырех фазах:

1. Профаза. Хроматин, представляющий собой рыхлую упакованную ДНК, конденсируется. Затем оболочка ядра разрушается и вскоре образуется митотическое веретено (веретено деления) — структура из микротрубочек, предназначенная для разделения хромосом в процессе митоза и распределения генетического материала между дочерними клетками.
2. Метафаза. Хромосомы (диплоидные и удвоенные после S-фазы интерфазы) выстраиваются вдоль центральной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку.
3. Анафаза. Веретено начинает притягивать своими нитями расположенные на экваторе хроматиды, тем самым отделяя их друг от друга и растаскивая по противоположным полюсам.
4. Телофаза. 4-я и последняя фаза митоза. Хроматиды достигли противоположных полюсов и теперь вновь называются хромосомами (из 1 хроматиды). Далее, начинается их деспирализация и удлинение. Веретено исчезает, вокруг каждого из полюсов образуется ядерная мембрана, а затем и ядрышки. Клетка подвергается цитокинезу, разделяясь на пару дочерних клеток с одинаковым набором органелл.

Посмотрите это видео, для наглядной демонстрации митоза.

 

Биологическое значение митоза

• Размножение клеток для роста и развития организма;
• Регенерация и обновление тканей.

Мейоз и его фазы

Мейоз — сложный процесс жизненного цикла клетки, обеспечивающий генетическое разнообразие популяции. Он играет ключевую роль в размножении многих организмов, в том числе животных и растений.

В ходе мейоза осуществляется подряд 2 деления:

1. “мейоз I” — редукционное (сокращение числа хромосом в 2 раза)
2. “мейоз II” — эквационное (от лат. aequatio — уравнивание)

Они включают в себя схожие фазы, необходимые для точного распределения генетического материала.

Видео, наглядно поясняющее процесс обеих фаз мейоза

Мейоз I — первое, редукционное деление

1. Профаза I: На начальном этапе мейоза происходит конденсация хромосом, образование бивалентов (пар гомологичных хромосом), их конъюгация (переплетение) и кроссинговер (обмен участками ДНК). Эти процессы обеспечивают генетическое разнообразие.

   

   Гомологи́чные хромосо́мы (гомологи) — пара хромосом с одинаковым набором генов и сходной морфологией в кариотипе диплоидного организма (источник – wikipedia)

2. Метафаза I: Биваленты выстраиваются вдоль метафазного стержня. Каждая хромосома прикрепляется к метафазному стержню за счет белковых микротрубочек, что подготавливает их к разделению.
3. Анафаза I: в результате этой фазы мейоза гомологичные хромосомы расходятся в разные полюса клетки, так дочерние клетки получают по половине хромосомного набора.
4. Телофаза I и цитокинез. Клетка делится на 2 дочерние клетки. Каждая из них содержит половину общего числа хромосом. Затем происходит цитокинез, разделение цитоплазмы.

Метафазный стержень является частью митотического веретена. Он обеспечивает поддержку и выравнивание хромосом в метафазе перед их разделением, тогда как митотическое веретено обеспечивает движение хромосом к полюсам во время митоза или мейоза.

Мейоз II — второе, эквационное деление

Фазы уравнительного деления, Профаза II, Метафаза II, Анафаза II и Телофаза II, схожи с соответствующими фазами мейоза I, но в этот раз клетка не проходит кроссинговер и каждая дочерняя клетка в Телофазе II будет содержать гаплоидный набор однохроматидных хромосом.

Биологическое значение мейоза

• Генетическое разнообразие. Это ключевой момент в формировании гамет, обеспечивающий генетическое разнообразие потомства. Кроссинговер и случайное разделение хромосом в анафазе I способствуют образованию уникальных комбинаций генов.
• Мейоз помогает предотвратить убывание генетического материала с каждым поколением. За счет редукции хромосомного набора при мейозе I, образованные в результате клетки получают только половину хромосом, что поддерживает стабильность числа хромосом в популяции.
• Размножение и эволюция. Новые комбинации генов, возникающие благодаря мейозу, могут предоставить организмам преимущества в условиях изменяющейся среды.

Отличия мейоза от митоза

Они представляют собой разные стратегии клеточного деления, приспособленные к разным биологическим целям. Митоз поддерживает рост, развитие и восстановление клеток, в то время как мейоз обеспечивает генетическое разнообразие в популяции путем создания гамет с уникальными комбинациями генов.

Сравнительная таблица характеристик митоза и мейоза:

Характеристики	Митоз	Мейоз
Количество делений	Одно	Два последовательных
Процессы, включенные в деление	Профаза, метафаза, анафаза, телофаза	Мейоз I с профазой I, метафазой I, анафазой I, телофазой I; Мейоз II с профазой II, метафазой II, анафазой II, телофазой II
Профаза	Хромосомы свободно распределены по всему объему бывшего ядра	Профаза I: гомологичные хромосомы объединяются и переплетаются друг с другом, происходит кроссинговер
Метафаза — по экватору выстраиваются:	Отдельные 2-хроматидные хромосомы	Биваленты — по 2 гомологичных хромосомы вместе
Анафаза — к полюсам веретена деления растаскиваются:	Сестринские хроматиды	Анафаза I: двухроматидные гомологи Анафаза II: гаплоидный набор однохроматидных хромосом
Телофаза — во вновь образовавшихся клетках содержится:	Диплоидный набор однохроматидных хромосом	Телофаза I: гаплоидный набор двухроматидных хромосом Телофаза II: гаплоидный набор однохроматидных хромосом
Число дочерних клеток	2	4
Набор хромосом в дочерних клетках	Дочерние клетки идентичны по количеству хромосом и генетическому материалу родительской клетке	Дочерние клетки получают половину набора хромосом от родительской клетки
Тип клеток, подвергающихся процессу	Происходит в соматических (телесных) клетках, поддерживая рост и восстановление организма	Происходит в клетках, предназначенных для размножения (гонадах), образуя гаметы (спермии и яйцеклетки)
Генетическое разнообразие	Поддерживает генетическую стабильность и идентичность между клетками	Создает генетическое разнообразие за счет кроссинговера и случайного распределения хромосом в процессе анафазы I
Роль в организме	Обеспечивает рост, развитие и восстановление тканей	Обеспечивает размножение и формирование генетически разнообразных потомков