Ćw. 3 Mitoza, mejoza, cykl komórkowy i gamety PDF

Preview

Summary

Mitoza, mejoza, gametogenza, cykl komórkowy...

Description

Ćwiczenie trzecie z przedmiotu Genetyka Diploidalna liczba chromosomów Każda jednostka taksonomiczna ma charakterystyczną, stałą liczbę chromosomów w komórkach somatycznych, którą określa się symbolem 2n (DIPLOIDALNA = SOMATYCZNA LICZBA CHROMOSOMÓW) Tą liczbę somatyczną chromosomów określa się też jako garnitur chromosomowy.    

2n - ilość chromosomów w komórce somatycznej organizmu diploidalnego n – ilość chromosomów w komórce generatywnej organizmu diploidalnego lub liczba chromosomów w somatycznej komórce haploidalnej 2C – ilość materiału genetycznego w komórce somatycznej organizmu diploidalnego C – ilość materiału genetycznego w komórce generatywnej organizmu diploidalnego ilość materiału genetycznego w somatycznej komórce haploidalnej

Cykl komórkowy Cykl komórkowy to szereg zmian biochemicznych i biofizycznych komórki zachodzących pomiędzy końcem jednego a końcem następnego podziału komórkowego. Cykl komórkowy składa się z:  

INTERFAZY Podziału komórkowego – MITOZY (cykl mitotyczny) lub MEJOZY (cykl mejotyczny)

Interfaza W interfazie komórka przygotowuje się do dalszych podziałów Dochodzi do wzrostu objętości komórki , podwojenia ilości materiału genetycznego, synteza RNA oraz białek Większość białek i innych związków jest w interfazie syntetyzowana w sposób ciągły; nie dotyczy to jednak substancji niezbędnych do podziału komórki, są one syntetyzowane tylko w określonym czasie, co stanowi podstawę do podziału interfazy na trzy okresy: G1, S, G2.

Faza G1 (first gap phase) Trwa od końca mitozy do rozpoczęcia syntezy DNA (faza S) Czas trwania bardzo zmienny – od kilku (ok.4 h) do kilkudziesięciu godzin Trwa intensywna synteza białek strukturalnych i enzymatycznych, wzrasta masa i objętość komórki (komórka wchodząca w tę fazę jest dwukrotnie mniejsza niż po jej zakończeniu) Zachodzi podwajanie centrioli We wczesnej fazie G1 komórka osiąga punkt restrykcyjny (punkt R) i jeśli go przekroczy, podejmuje syntezę DNA i kończy cykl podziałem.

Punkt R wyznaczany jest stężeniem cyklicznych kinaz białkowych i in. enzymów. Regulują one dekondensację chromatyny oraz aktywują polimerazy DNA. Jeśli komórka nie może przekroczyć punktu R, wówczas wchodzi w fazę G0 (fazę spoczynkową). Stan ten trwa od kilku do kilkudziesięciu miesięcy i jest odwracalny. Przejście w fazę G0 może być spowodowane głodzeniem komórek i niedostateczną ilością składników odżywczych.

Faza S (Synthesis phase) Pomiędzy fazami G1 i G2, Czas trwania u ssaków ok.7-10 godzin Trwa synteza histonów i innych białkowych elementów DNA Podwaja się ilość materiału genetycznego z 2C do 4C , wzrasta masa i objętość komórki, w porównaniu z fazą G1

Faza G2 (second gap phade) Od końca fazy S do rozpoczęcia podziału mitotycznego lub mejotycznego Czas trwania od kilku od kilkunastu godzin Odbywa się produkcja składników potrzebnych do odtworzenia błony jądrowej i plazmalemmy w telofazie i cytokinezie. Synteza części białek wrzeciona podziałowego, gł. tubuliny Synteza RNA Uaktywnienie cyklicznej kinazy białkowej (rozpad błony jąderka) Fosforylacja histonów H1 (wzrost kondensacji chromatyny)

Mitoza Jest procesem pozwalającym na zwiększenie liczby komórek przez podział. Z jednej komórki powstają dwie komórki potomne identyczne w stosunku do macierzystej. Każdej komórce potomnej przekazywana jest jedna kopia każdego chromosomu, występującego w komórce macierzystej. Komórki powstające na skutek mitozy są identyczne pod względem genetycznym. W czasie mitozy można wyróżnić dwa etapy: KARIOKINEZĘ (podział jądra) CYTOKINEZĘ (podział cytoplazmy)

Profaza Kondensacja chromatyny - powstanie chromosomów mitotycznych. Każdy chromosom uległ podwojeniu w interfazie i składa się teraz z dwóch identycznych jednostek, zwanych chromatydami siostrzanymi. Każda chromatyda zawiera niebarwiące się przewężenie zwane centromerem. W rejonie tym chromatydy są ze sobą ściśle połączone. Proces kondensacji polega gł. na spiralizacji nici chromatynowych, powodując skracanie i grubienie chromosomów. Zapobiega to splątywaniu się nici podczas przemieszczania się chromosomów do komórek potomnych. Kondensacja jest procesem ciągłym i trwa aż do metafazy Rozpoczyna się tworzenie wrzeciona kariokinetycznego, w skład którego wchodzą mikrotubule kinetochorowe, oraz tubulina (wytworzona w interfazie) Spada lepkość cytoplazmy Obniża się szybkość biosyntezy makrocząsteczek

Prometafaza Trwa 10-20 min. Otoczka jądrowa ulega fragmentacji, zanika jąderko Widoczne są 2 pary gwiaździście ułożonych centriol, od których promieniście odchodzą mikrotubule wrzeciona podziałowego Centriole mają postać rurek zbudowanych z włókien tubuliny, od każdej odchodzi pęk włókien wrzeciona podziałowego Wrzeciono kariokinetyczne składa się z 3 rodzajów włókien:   

wolnych (biegną od biegunów i nie dochodzą do równika) biegunowych(od biegunów do równika) kinetochoralnych (biegną od biegunów i przyczepiają się do kinetochorów)

Chromatydy siostrzane zorientowane są prostopadle w stosunku do osi długiej wrzeciona podziałowego, a kinetochory kierują się ku jednemu z biegunów kmórki

Metafaza REPLIKACJA DNA W CENTROMERACH !!! chromosomy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki, na płytce metafazalnej,widziane od strony bieguna tworzą gwiazdę, a widziane z boku - płytkę składniki cytoplazmy zaczynają się przemieszczać ku biegunom pod koniec metafazy chromosomy układają się na obwodzie wrzeciona podziałowego, a każdy z nich ulega częściowemu rozdzieleniu na dwie chromatydy W skład centromeru chromosomu wchodzi struktura zwana kinetochorem, która służy jako miejsce przyczepu mikrotubul. Pomiędzy biegunami wykształca się system włókien białkowych - mikrotubul, tworzących wrzeciono podziałowe zwane też mitotycznym lub kariokinetycznym. Uczestniczy ono w rozdzielaniu chromatyd podczas anafazy. Możliwe jest zahamowanie podziału komórki w metafazie poprzez działanie kolchicyną (alkaloid otrzymywany z zimowitu jesiennego). Kolchicyna hamuje polimeryzację podjednostek mikrotubul wrzeciona kariokinetycznego - zahamowanie w stadium płytki metafazalnej. W cysternach i pęczerzykach siateczki śródplazmatycznej gładkiej są wolne jony Ca2+, które uwalniane są pod koniec metafazy i uruchamiają mechanizmy przemieszczania chromosomów.

Anafaza Zakończenie REPLIKACJI DNA W CENTROMERACH Nagłe rozdzielenie=pęknięcie chromatyd siostrzanych w miejscu centromeru Przerwanie centromeru powoduje ruch chromatyd ku biegunom (szybkość wędrówki spada wraz ze zbliżaniem się do biegunów) Koniec anafazy z chwilą gdy wszystkie chromatydy dotrą do biegunów. Anafaza rozpoczyna się, gdy siły utrzymujące łączność pomiędzy chromatydami siostrzanymi w regionie centromeru zanikają. W tym momencie każda chromatyda staje się odrębnym, niezależnym chromosomem. Rozdzielone chromosomy wędrują teraz do przeciwległych biegunów. Kinetochory są ciągle połączone z mikrotubulami wrzeciona podziałowego, posuwają się pierwsze ciągnąc za sobą ramiona.

Telofaza Rozpoczyna się dekondensacja chromosomów,po intensywnej syntezie RNA odbudowane zostaje jąderko, zanika wrzeciono podziałowe , odbudowuje się otoczka jądrowa - wokół każdego z chromosomów powstaje podwójna błona, następnie błony chromosomów łączą się tworząc wspólną otoczkę jądrową.

Cyotkineza W wielu komórkach cytokineza, czyli podział cytoplazmy rozpoczyna się już pod koniec anafazy lub na początku telofazy powstaniem tzw. pierścienia kurczliwego (w niektórych kom. roślinnych nie ma pierścienia kurczliwego - jest fragmoplast, a cytokineza zachodzi bez zakłóceń - tworzy się przegroda pierwotna). Jego obkurczanie przyczynia się do powstania bruzdy podziałowej. Obkurczanie pierścienia kurczliwego zachodzi prawdopodobnie na zasadzie mechanizmu ślizgowego (aktyna-miozyna). Podobnie jak przy skurczu mięśnia. Świadczyło by o tym hamowanie cytokinezy przez substancje blokujące aktynę.

Endocykle Obok replikacji całego genomu, po której następuje podział (mitoza, mejoza) mogą występować pewne modyfikacje cyklu komórkowego, tzw. endocykle: ENDOMITOZA (2n  4n) jest odmianą cyklu komórkowego, w którym istnieje replikacja DNA, częściowa kondensacja chromosomów, oraz ich podział na oddzielne chromatydy siostrzane z zachowaniem otoczki jądrowej. W wyniku endomitozy wzrasta liczba chromosomów w jądrze, co prowadzi do powstawania jąder poliploidalnych, ale liczba jąder (i liczba komórek) w tkance pozostaje nie zmieniona.

ENDOREDUPILKACJA (2C  4C) pojawia się replikacja DNA w fazie S, jednak bez następowej mitozy. W związku z takim procesem ilość DNA ulega zwiększeniu. Prowadzi to do wzrostu potencjału metabolicznego komórek i umożliwia zwiększenie ich rozmiarów. Endoreduplikacja zachodzić może w kom. trofoblastu, chondrocytach, a w warunkach chorobowych np. w kom. nowotworowych.

Amitoza Podział materiału genetycznego komórki, podczas którego nie zanika błona jądrowa, nie tworzy się wrzeciono, nie powstają chromosomy. Zachodzi on bez równej dystrybucji materiału genetycznego do komórek potomnych. Nić DNA ulega replikacji i dochodzi do podziału cytoplazmy oraz losowej dystrybucji materiału genetycznego pomiędzy komórki potomne. Podział jest bardzo szybki, ale nierównomierny - zachodzi jedynie przy udziale pierścienia obkurczającego. U ludzi amitozę wykryto w komórkach nowotworowych. U osób zdrowych zaobserwowano ten podział w komórkach szybko dzielących się - nerki, wątroba, nabłonek jelita.

Mejoza Proces podziału komórki występujący u organizmów rozmnażających się płciowo. Polega na takich podziałach jądra komórki diploidalnej, że w rezultacie powstają 4 komórki haploidalne. Pierwszy podział mejotyczny nazywany jest podziałem redukcyjnym, a drugi zaś podziałem ekwatorialnym.

Typy mejozy:  

mejoza pregamiczna - u diplofitów (rośliny nasienne, zwierzęta) w trakcie tworzenia gamet mejoza postgamiczna - u haplofitów (pierwotniaki, niższe glony, grzyby) po zlaniu gamet

Faza S przed mejozą Replikuje się 99,7% DNA jądrowego (zakończenie replikacji następuje w zygotenie i pachytenie) Jest 3X dłuższa niż przed mitozą, ponieważ następuje synteza białek do kompleksów synaptemalnych

Profaza I – Leptoten Chromosomy pojawiają się w leptotenie jako cienkie, względnie gładkie i wyciągnięte nici. Z tego względu stadium to nazywamy stadium cienkich nici. Pojawiają się zaczątki elementów bocznych tworzącego się w zygotenie kompleksu synaptemalnego, którego zadaniem jest utrzymanie ścisłego kontaktu pomiędzy chromosomami homologicznymi.

Profaza I - Zygoten Pojawia się całkowicie uformowany kompleks synaptemalny - unikalna struktura białkowa związana z chromosomami w okresie koniugacji, która utrzymuje razem chromosomy homologiczne podczas koniugacji Następuje koniugacja chromosomów - łączenie wzdłuż par chromosomów homologicznych, zwanych odtąd BIWALENTAMI lub TETRADAMI W chromosomach istnieją odcinki o niezreplikowanym w fazie S (interfazy) DNA, zawierające geny warunkujące tę koniugację. W odcinkach tych znajduje się tzw. Zyg-DNA (dł. ok. 5 tys par zasad, co stanowi 0,2-0,3% genomu). Zyg-DNA zostaje zreplikowany dopiero w zygotenie, choć nie do końca. Na końcach odcinków są obszary, które zostają zreplikowane dopiero po zakończeniu I profazy mejotycznej. Koniugacja chromosomów nie występuje gdy brak homologii chromosomów np. u międzygatunkowych hybrydów.

Profaza I – Pachyten Nadal zachodzi spiralizacja chromosomów homologicznych, które w pachytenie są 5 razy krótsze niż w leptotenie i dlatego stadium to nazywamy stadium grubych nici zachodzi proces CROSSING-OVER - wymiana odcinków chromatyd niesiostrzanych między chromosomami homologicznymi. Konsekwencją są widoczne dobrze chiazmy (węzełki synaptemalne) - miejsca na chromosomach, gdzie w wyniku c-ov zachodzi wymiana homologicznych części chromatyd niesiostrzanych Między późnym zygotenem a wczesnym pachytenem zachodzi synteza białka warunkującego crossing-over. Białkiem tym jest DNAzaII - a jego największa aktywność przypada na PACHYTEN i zanika całkowicie pod koniec tego stadium

Profaza I – Diploten chromosomy homologiczne oddzielają się od siebie (z wyjątkiem chiazm - tu nadal są połączone do anafazy 1) W przypadku par (biwalentów), w których nie zaszło c-ov chromosomy oddzielają się całkowicie u niektórych ssaków, owadów i grzybów chromosomy dekondensują - jest to tzw. stadium dyfuzyjne (rozproszone) U SAMIC SSAKÓW - w życiu płodowym oocyty 1 rzędu zatrzymane w diplotenie 1 profazy; przedłużony diploten = diktioten u człowieka trwa ok. 12 - 50 lat

Profaza I – Diakineza 

W tym stadium następuje największy stopień spiralizacji chromosomów



Chromosomy są krótsze i grubsze niż w mitozie, a liczba chiazm ulega redukcji - przesuwają się ku końcom biwalentów (terminalizacja)



Biwalenty są rozmieszczone na obwodzie jądra



Biwalenty z jedną chiazmą przyjmują postać krzyża lub litery V, z dwoma chiazmami przyjmują postać litery O, z trzema chiazmami tworzą dwie pętle

Metafaza I biwalenty przesuwają się ku płaszczyźnie równikowej jądra centromery biwalentów leżą na przeciwko siebie i są skierowane ku biegunom wrzeciona , a końce ramion chromosomów są położone w płaszczyźnie równikowej

Anafaza I Chromosomy homologiczne rozdzielają się i każdy z nich wędruje do przeciwnego bieguna

Telofaza I częściowa despiralizacja chromosomów odtwarza się otoczka jądrowa i jąderko

Interfaza i II podział mejoyczny Interfaza po pierwszym podziale mejotycznym jest bardzo krótka lub w ogóle nieobecna (czasem brak też telofazy) W niektórych przypadkach chromosomy nie ulegają despiralizacji przed wejściem w podział II Drugi podział mejotyczny odbywa się wg. schematu mitozy (komórki 1C 1n)

Porównanie Mitoza vs. Mejoza

Profaza

MITOZA

MEJOZA

Krótka, bez podziału na podjednostki

Bardzo długa, podzielona na pięć etapów: leptoten, zygoten, pachyten, diploten i diakinezę

Chromosomy homologiczne nie łączą się w pary Brak zjawiska crossing-over(czasem somatyczny c-ov, zjawisko niezwykle rzadkie)

Podczas zygotenu w pary łączą się chromosomy homologiczne, tworząc biwalenty W pachytenie zachodzi zjawisko crossing - over

Metafaza

W płaszczyźnie równikowej jądra ustawiają się chromosomy i każdy z nich ulega podziałowi na dwie chromatydy

W płaszczyźnie równikowej jądra ustawiają się biwalenty, a ich centromery leżą naprzeciwko siebie i są skierowane ku biegunom komórki

Anafaza

Następuje podzielenie centromeru i ku biegunom komórki podążają chromatydy

Do przeciwległego bieguna wędrują chromosomy homologiczne; brak podziału centromerów i rozdzielenia chromatyd

Telofaza

Długa, rozpoczyna się dekondensacja chromosomów, następuje odbudowanie jąderka i otoczki jądrowej

Krótka, chromosomy praktycznie nie ulegają despiralizacji; czasem brak telofazy

Cytokineza

W jej wyniku powstają dwie komórki potomne, kończy podział mitotyczny komórki

Po jej zakończeniu następuje przejście do dalszych podziałów – drugiej fazy mejozy

Dalsze podziały

Brak

Obecne, komórka dzieli się według schematu mitozy

Wynik, miejsce i czas

Powstają dwie komórki o diploidalnej liczbie chromosomów

Powstają cztery komórki o haploidalnej liczbie chromosomów

Komórki somatyczne organizmu, przez cały czas życia

Komórki generatywne, w okresie gametogenezy

Biologiczne znaczenie mejozy Redukuje liczbę chromosomów w komórkach potomnych Umożliwia utrzymanie w komórkach stałej liczby chromosomów, charakterystycznej dla gatunku

Jest źródłem zmienności genetycznej organizmów: niezależna segregacja chromosomów od matki i ojca, crossing-over - wymiana odcinków chromatyd

Czas trwania mejozy Jest skorelowany z zawartością DNA i objętością jądra. W komórkach zwierzęcych proces mejozy trwa wolno i może ulec zatrzymaniu na pewnym etapie, np. profazie I, która trwa wobec tego wiele dni, tygodni a nawet lat. Profaza I u kobiet rozpoczyna się w okresie zarodkowym (płodowym) a kończy tuż przed owulacją. Cała mejoza trwać zatem może od 12 - 14 lat (pierwsza miesiączka u dziewczynki) do 40-55 lat (ostatnia owulacja przed okresem przekwitania). Zwykle mejoza trwa o 50% dłużej w organizmach żeńskich niż w męskich.

Gametogenza Oogeneza

vs.

Spermatogeneza...