4.2: Сингамія та мейоз

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6584

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Статевий процес і сингамія

Статевий процес важливий для виживання виду. По-перше, це робить населення більш різноманітним, що дозволяє більше гнучкості адаптуватися за допомогою природного відбору. Природний відбір означає, що всі організми різні, але якщо умови навколишнього середовища зміняться, виживуть лише більшість адаптованих. Якщо популяція однорідна, у неї менше шансів на виживання. По-друге, це запобігає передачі смертельних мутацій потомству, оскільки ті, у кого мутації, загинуть замість того, щоб передавати ці гени. Пізніше трапляється, коли мутований ген або дублюється, або поодинці в генотипі.

(Генотип - це вміст генів організму. Ген - це шматочок ДНК, який дорівнює одному білку. Мутація - це «помилка» в ДНК. Білок (багато з них є ферментами) складається з амінокислот, з'єднаних між собою. Популяція - це група організмів, які потенційно можуть схрещуватися і не мати ізоляційних бар'єрів.)

Знімок екрана 2019-01-03 о 10.30.35 PM.png

Рисунок\(\PageIndex{1}\) Клітинний цикл: I інтерфаза, D поділ клітин, G\(_1\) передсинтетична стадія, S синтетична стадія, G\(_2\) постсинтетична стадія, M мітоз (каріокінез), C cyto

Щоб зробити популяції більш різноманітними, організмам необхідно обмінюватися ДНК. Один із способів обміну генами клітин - це сингамія. Сингамія (часто позначається «Y!») , - це злиття двох клітин, в результаті чого клітина, яка має вдвічі більше хромосом. Дві клітини, які злиті разом, називаються гаметами, а результуюча клітина - зигота. Метою сингамії є оновлення генетичного матеріалу. Нові клітини мають генотип, відмінний від гамет. Безперервна сингамія збільшить кількість ДНК, тому клітини використовують мейоз (часто позначається «R!») щоб врівноважити цей побічний ефект сингамії:\[\mbox{Y!} \rightarrow \mbox{R!}\]

Сингамія призводить до диплоїдної клітини:

\[X + X \rightarrow XX\]

У диплоїдних організмів хромосоми утворюють пари (ці парні хромосоми відомі як гомологічні), тоді як у галоїдних організмів вони залишаються поодинокими.

Існує три типи сингамії (рис.\(\PageIndex{2}\)): ізогамія, гетерогамія та оогамія.

Ізогамія трапляється, коли гамети, які зливаються разом, схожі. Щоб уникнути самозапліднення, вони повинні мати вдосконалену систему розпізнавання. Різні генотипи (типи спаровування) розпізнають один одного за допомогою поверхневих білків, як клітини імунної системи.
Гетерогамія - це коли гамети мають два різних розмірів. Ця різниця полегшує rec848ognition, але ще важливішим є поділ праці: самка більша, оскільки має ресурси для догляду за потомством, тоді як самці менші і можуть збільшуватися в кількості, щоб дозволити конкуренцію та зробити запліднення більше швидше за все.
Оогамія - це коли гамети також мають різну рухливість. У оогамії нерухома самка відома як яйцеклітина, а джгутик-самець - сперматозоїд, який тут є лише однією рухомою гаметою. У деяких організмах (червоні водорості, губки, ракоподібні, більшість насіннєвих рослин) сперматозоїди стають нерухливими сперматиями, тому для його переміщення знадобляться зовнішні агенти. І сперматозоїди, і сперматозоїди називаються сперматозоїдами.

Знімок екрана 2019-01-03 в 10.33.03 PM.png

Малюнок\(\PageIndex{2}\) Три види сингамії.

Мейоз

Сингамія - це спосіб, щоб організми стали більш генетично різноманітними, але оскільки вона збільшує кількість хромосом, її потрібно врівноважувати мейозом. Мейоз зменшує кількість хромосом, рекомбінує хромосоми, дозволяє хромосомам обмінюватися своїм генетичним матеріалом. Мейоз - це відновна форма поділу клітин, де кожна нова клітина отримує половину хромосом вихідної клітини. На відміну від мітозу, мейоз дійсно змінює генотип клітин, оскільки цілі хромосоми рекомбінуються, а також обмінюються своїм генетичним матеріалом. Інша відмінність полягає в тому, що при мітозі плоїдія («двоє» хромосом) залишається постійною, в той час як при мейозі - половинки плоїдії.

Є дві проблеми мейозу: по-перше, як з'ясувати, які хромосоми гомологічні; по-друге, як розділити хромосоми, які вже були дубльовані в S-фазі. Перша проблема - це вирішення з «склеюванням» гомологічних хромосом разом; це відбувається тому, що подібні ланцюги ДНК можуть приєднувати один одного. Друга проблема зазвичай вирішується з другою стадією мейозу, яка досить схожа на звичайний мітоз.

Розрізняють дві стадії мейозу: редуктивний поділ (мейоз I, унікальний) і рівний поділ (мейоз II, схожий на мітоз). Кожна з цих стадій поділяється на профазу, метафазу, анафазу та телофазу.

У профазі I хромосоми кон'югуються (утворюють синапси), і починають обмінюватися ДНК (кросинг-овер).

В анафазі I хромосоми з кожної пари будуть йти самостійно на різні полюси. Незалежність означає, що якщо ми позначимо хромосоми «мати» і «батько»\(b\), кажучи\(a\) і, то можливі два варіанти:

\[X{_a}X{_b} + Y{_a}Y{_b} \rightarrow (X{_a} + Y{_a}) + ({X_b} + Y{_b})\]

або

\[X{_a}X{_b} + Y{_a}Y{_b} \rightarrow (X{_a} + Y{_b}) + ({X_a} + Y{_b})\]

тому що хромосоми не знають, що є «батьківським», а що «материнським».

Телофаза I зазвичай перетікає в профазу II. Це друге поділ мейозу дуже схоже на мітоз без синтетичної стадії перед ним. Нерідко ядра не утворюються до II телофази (рис.\(\PageIndex{3}\)).

При першому розподілі клітині потрібно розділити пари гомологів, щоб зменшити плоїдність. Другий поділ мейозу необхідно тому, що ДНК вже була продубльована в синтетичній стадії клітинного циклу. Отже, кожну\(X\) подібну хромосому потрібно розділити на дві\(I\) подібні хромосоми:\[XX \rightarrow X + X \rightarrow I + I + I + I\]

Ось чому в кінці є два відділи і чотири клітини (іноді, однак, виживає лише одна з цих чотирьох). Якщо ДНК не буде дублюватися раніше, також можливо, що мейоз відбудеться в одній стадії замість двох. Цей вид мейозу описаний у деяких протистів. Інвертований мейоз, коли редуктивний поділ є другим і дорівнює першому, зустрічається рідко, але також існує в природі (наприклад, у деяких поспіхів, клопів і метеликів).

Знімок екрана 2019-01-03 в 10.34.28 PM.png

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Принципова схема мейозу. Показаний лише один з двох варіантів телофази I.

Цілком можливо, що мейоз не буде працювати належним чином, що призводить до того, що клітина отримує подвійний набір хромосом. Якщо, в свою чергу, ця клітина перейде в сингамію, отримана зигота матиме 3 набори хромосом. Клітини з більш ніж двома наборами хромосом називаються поліплоїдами. Рідко тільки деякі хромосомні пари не хочуть розщеплюватися. В цьому випадку після сингамії деякі хромосоми будуть «потрійними» (трисомія). Це анеуплоїдія. Одним із прикладів частої (1/800 пологів) анеуплоїдії у людини є синдром Дауна.