Цитологические основы наследственности

Наука, изучающая явления наследственности и изменчивости с использованием генетических и цитологических методов, называется цитогенетикой. Объектом цитогенетических исследований является клетка и в особенности хромосомы, их морфология и химический состав. Изучение материальных основ наследственности мы начнем с митоза и мейоза, сложных делений клетки, в процессе которых можно изучить строение и поведение хромосом.

ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК

Митоз

Митоз это непрямое деление соматических клеток, состоящее из деления ядра (кариокенез) и деления цитоплазмы (цитокенез). В результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние клетки, получающие одинаковое число хромосом. Следовательно, наследственный материал между дочерними клетками распределяется поровну.

Цель занятия. Ознакомиться с делением клетки, изучить и зарисовать фазы митоза и процессы, происходящие в них.

Материал и оборудование. Таблица и слайды, иллюстрирующие фазы и стадии митоза. Готовые препараты со срезами корешков лука и микроскопы.

Методика приготовления препарата. Для изучения митоза несложно приготовить препарат из корешка лука. Для этого корешок лука помещают в тигелек с красителем (ацетоорсеин или кармин) и нагревают. После окрашивания корешки переносят на предметное стекло в каплю 45% уксусной кислоты и, накрыв покровным стеклом, раздавливают. Далее препарат рассматривают под микроскопом при увеличении 7х40 (рис.1.).

Рис.1 Митоз в клетках корешка лука

Фазы митоза в клетках корешка лука. А-интерфаза, Б-Д – профаза, Е-Ж – метафаза, З-И – анафаза, К-М –телофаза.

Несмотря на то, что митотическое деление представляет непрерывный процесс, где каждая стадия незаметно переходит в другую, для удобства изучения можно выделить 4 фазы (профазу, метафазу, анафазу и телофазу).

Между двумя клеточными делениями - в интерфазе, которая по продолжительности намного длиннее митоза происходят сложные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. В предсинтетической стадии – G₁ накапливаются нуклеотиды, аминокислоты, ферменты и др. вещества, в синтетической фазе - S происходит синтез ДНК и удвоение хромосом, в постсинтетической фазе - G₂ затормаживаются процессы, обеспечивающие жизнедеятельность клетки и она готовится к делению. Таким образом,в интерфазе каждая хромосома синтезирует и формирует свою точную копию из материала клеточного ядра. Интерфазные хромосомы в конце периода G₂ состоят из отдельных нитей, каждая из которых подвергается спирализации самостоятельно. Они лежат так близко, что кажутся единой структурой.

Профаза - первая фаза митоза. Ядро увеличивается в размерах, появляются тонкие нити хромосом, которые постепенно укорачиваются и утолщаются. Хроматиды остаются соединенные вместе при помощи центромер. Центриоли делятся и отходят к полюсам клетки. Ядерная оболочка начинает разрушаться и к концу профазы исчезает.

Метафаза. Хромосомы располагаются в плоскости экватора, образуя метафазную пластинку. Нити веретена связывают центромеры хромосом с полюсами клетки. Стадия метафазы наиболее удобное время для наблюдения за хромосомами.

Анафаза. Центромеры скрепляющие две хроматиды, делятся, хроматиды разъединиются, нити веретена деления сокращаются и подтягивают хромосомы к полюсам клетки. Хроматиды с этого момента называют дочерними хромосомами.

Телофаза. Хромосомы достигают полюсов здесь они деспирализуются и утрачивают видимую индивидуальность. Вокруг отошедших к полюсам хромосом формируется ядерная оболочка. Телофаза завершается делением цитоплазмы - цитокенезом.

Mейоз

Мейоз - сложное деление, которое происходит только у высших организмов, размножающихся половым путем, и связано с процессом развития и образования половых клеток.

Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра: первое деление - редукционное, в результате которого число хромосом уменьшается в два раза и второе - эквационное сохраняющее число хромосом без изменения. Первое деление мейоза - редукционное, начинается с профазы 1, состоящей из пяти стадий: лептонемы, зигонемы, пахинемы, диплонемы и диакенеза. Схема мейоза показана на рис. 2.

2n=6

n=3

Рис.2. Схема мейоза

На стадии лептонемы (тонких нитей) хромосомы имеют вид тонких однородных нитей. При большом увеличении можно видеть, что в этой стадии хромосомы состоят из двух хромотид, соединенных центромерой.

На стадии зигонемы (парных нитей) гомологичные хромосомы начинают соединяться по всей длине (коньюгировать).

На стадии пахинемы (толстых нитей) происходит спирализация хромосом, в результате чего они утолщаются и укорачиваются. Соединенные в пары хромосомы называются бивалентами. Они состоят их четырех хроматид.

На стадии диплонемы (двойных нитей) обнаруживается произошедший ранее обмен участками между гомологичными хроматидами в виде перекрещивания гомологичных хроматид. Такие перекрещивания называются хиазмами. Обмен гомологичных хромосом участками называют кроссинговером. В результате кроссинговера происходит рекомбинация генов. В диплонеме хромосомы начинают отталкиваться друг от друга.

На стадии диакенеза хромосомы еще больше укорачиваются и утолщаются. При переходе от стадии профазы к метафазе наблюдается разрушение оболочки ядра, исчезновение ядрышек и формирование ахроматинового веретена.

В метафазе 1 биваленты расположены в плоскости экватора, причем их вдвое меньше диплоидного числа хромосом. В отличие от митоза центромеры хромосом не делятся.

В анафазе 1 редукционного деления к противоположным полюсам расходятся не хромотиды, а целые хромосомы, что приводит к уменьшению их числа в дочерних клетках в два раза. Хромосомы дочерних ядер состоят из качественно различных хроматид, которые образовались в результате кроссинговера.

Телофаза 1. Хромосомы концентрируются на полюсах и деспирали-зируются. Происходит формирование ядер, нити веретена исчезают. Далее происходит цитокенез и в итоге формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом.

После очень короткой интерфазы в которой не происходит удвоения хромосом сразу начинается эквационное деление, которое проходит по типу митоза.

Профаза 2 характеризуется исчезновением ядрышек, ядерной оболочки и образованием веретена деления.

Во время метафазы 2 гаплоидные хромосомы, состоящие из двух хроматид, выстраиваются центромерами в плоскости экватора.

В анафазе 2 происходит продольное деление центромер. К противо-положным полюсам клетки расходятся качественно различные хромосомы.

В телофазе 2 образуются ядра, содержащие гаплоидный набор хромосом.

В процессе мейоза происходит три важных явления отличающих мейоз от митоза:

- уменьшение числа хромосом вдвое (вместо диплоидного набора - гаплоидный). В процессе оплодотворения в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом, характерный для соматических клеток.

- образование клеток с различными комбинациями отцовских и материнских хромосом.

- возникновение новых типов хромосом, сочетающих гены родителей в новых комбинациях в результате кроссинговера.