Сущность гаметогенеза. Цитология гаметогенеза - мейоз

Обновлено: 27.04.2024

Гаметогенез-процесс образования яйцеклеток (оогенез) и сперматозоидов (сперматогенез).

Диплоидные клетки, из которых образуются гаметы называются сперматогониями и овогониями.

Гаметогенез делится на ряд стадий:

-стадия размножения - сводится к серии последовательных митотических делений сперматогоний и овогоний, в рез-те чего их кол-во возрастает. Сперматогонии размножаются на протяжении всего периода половой зрелости мужской особи. Размножение овогоний происходит в эмбриогенезе (между 3-им и 7-ым месяцами эмбриогенеза и завершается на 3-ем году жизни)

-стадия роста. Происходит увеличение клеточных размеров и превращение мужских и женских половых клеток в сперматоциты и овоциты 1 порядка

- стадия созревания. Два последовательных деления: редукционное эквационное, представляющее собой обычный митоз. После первого деления обр-ся сперматоциты и овоциты 2 порядка,после второго –сперматиды и зрелая яйцеклетка. каждый сперматоцит 2 порядка дает 4 сперматиды, овоцит 2 порядка-1 яйцеклетку и 3 редукционных тельца(они не участвуют в размножении)

-процесс сперматогенеза завершается стадией формирования или спермиогенеза.

Центральным событием гаметогенеза являетсямейоз-способ клеточного размножения, обусловливающий возникновение гаплоидных клеток.

Мейоз состоит из двух последовательных делений с короткой интерфазой между ними.

Профаза I — профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:

Фаза лептотены или лептонемы — конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей.

Зиготена или зигонема — коньюгация (соединение) гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами.

Пахитена или пахинема — кроссинговер (перекрест) обмен участками между гомологичными хромосомами; гомологичные хромосомы остаются соединенными между собой.

Диплотена или диплонема — происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.

Диакинез — ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.

Метафаза I — бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.

Анафаза I — микротрубочки сокращаются, биваленты делятся и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе.

Телофаза I — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы: S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК.

Профаза II — происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.

Метафаза II — унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.

Анафаза II — униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.

Телофаза II — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Биологическое значение мейоза:

· является основным этапом гаметогенеза;

· обеспечивает передачу генетической информации от организма к организму при половом размножении;

· дочерние клетки генетически не идентичны материнской и между собой.

· Благодаря мейозу зрелые половые клетки получают гаплоидное (n) число хромосом, при оплодотворении же восстанавливается свойственное данному виду диплоидное (2n) число. При мейозе гомологичные хромосомы попадают в разные половые клетки, а при оплодотворении парность гомологичных хромосом восстанавливается. Следовательно, обеспечивается постоянных для каждого вида полных диплоидный набор хромосом и постоянное количество ДНК.

Отличие овогенеза от сперматогенеза. Морфология семенников и яичников.

Неравномерное деление клеток при овогенезе обеспечивает формирование крупной яйцеклетки, в ней накапливается большее количество питательных веществ, так как из оплодотворенного яйца будет развиваться новый организм. При сравнительной характеристике овогенеза и сперматогенеза можно заметить, что сперматозоидов образуется значительно больше, и это также имеет биологический смысл. Яйцеклетку достигает только один сперматозоид, проникает в нее и доставляет свой набор хромосом. Остальные же в процессе поиска яйцеклетки массово погибают.

Стадия формирования характерна только для сперматогенеза.

Морфология семенников

Семенники – мужские парные половые железы, в которых вырабатываются половые продукты и половые гормоны. По своему строению семенники различны у разных животных. У низших позвоночных (рыбы) семенники расположены в полости тела. У плацентарных млекопитающих они вынесены за пределы полости тела и располагаются в особом органе – мошонке в связи с высокой температурой тела.

Морфология яичников

Яичник у большинства животных представляет собой парную половую железу, в которой развиваются яйцеклетки. У птиц яичник непарный, что связано с приспособлением к полету. У некоторых животных он располагается в полости тела (рыбы), у млекопитающих и человека в полости малого таза. Строение яичника состоит из соединительнотканной основы – стромы. В ней различают внутреннюю – мозговую часть, и наружный – корковый слой. Снаружи железа покрыта однослойным зачатковым эпителием.

30. Гаметогенез и мейоз: цитологическая и цитогенетическая характеристика. Биологическое значение мейоза. Сходства и отличия митоза и мейоза.

Гаметогенез — процесс образования яйцеклеток (овогенез) и сперматозоидов (сперматогенез) —подразделяется наряд стадий (рис. 5.4).

В стадии размножения диплоидные клетки, из которых образуются гаметы, называют сперматогониями и овогониями. Эти клетки осуществляют серию последовательных митотических делений, в результате чего их количество существенно возрастает. Сперматогонии размножаются на протяжении всего периода половой зрелости мужской особи. Размножение овогоний приурочено главным образом к периоду эмбриогенеза. У человека в женском организме этот процесс наиболее интенсивно протекает в яичниках между 2-м и 5-м месяцами внутриутробного развития. К 7-му месяцу большая часть овоцитов входит в профазу I мейоза.

Так как способом размножения клеток-предшественниц женских и мужских гамет является митоз, то овогоний и сперматогонии, как и все соматические клетки, характеризуются диплоидностью. В ходе митотического цикла их хромосомы имеют либо однонитчатую (после митоза и до завершения синтетического периода интерфазы), либо двунитчатую (постсинтетический период, профаза и метафаза митоза) структуру в зависимости от количества биспиралей ДНК. Если в одинарном, гаплоидном наборе число хромосом обозначить как п, а количество ДНК — как с, то генетическая формула клеток в стадии размножения соответствует 2п2с до S-периода и 2n4c после него.

Рис. 5.4. Схема гаметогенеза:

1 — сперматогенез, 2 — овогенез, n — количество хромосомных наборов,с — количество ДНК, РТ — редукционные тельца

На стадии роста происходит увеличение клеточных размеров и превращение мужских и женских половых клеток в сперматоциты и овоциты I порядка, причем последние достигают больших размеров, чем первые. Одна часть накапливаемых веществ представляет собой питательный материал (желток в овоцитах), другая — связана с последующими делениями. Важным событием этого периода является репликация ДНК при сохранении неизменным числа хромосом. Последние приобретают двунитчатую структуру, а генетическая формула сперматоцитов и овоцитов I порядка приобретает вид 2n4с.

Основными событиями стадии созревания являются два последовательных деления: редукционное и эквационное, которые вместе составляют мейоз (см. разд. 5.3.2). После первого деления образуются сперматоциты и овоциты II порядка (формула n2с), а после второго — сперматиды и зрелая яйцеклетка (пс).

В результате делений на стадии созревания каждый сперматоцит I порядка дает четыре сперматиды, тогда как каждый овоцит I порядка — одну полноценную яйцеклетку и редукционные тельца, которые в размножении не участвуют. Благодаря этому в женской гамете концентрируется максимальное количество питательного материала — желтка.

Процесс сперматогенеза завершается стадией формирования, или спермиогенеза. Ядра сперматид уплотняются вследствие сверхспирализации хромосом, которые становятся функционально инертными. Пластинчатый комплекс перемещается к одному из полюсов ядра, образуя акросомный аппарат, играющий большую роль в оплодотворении. Центриоли занимают место у противоположного полюса ядра, причем от одной из них отрастает жгутик, у основания которого в виде спирального чехлика концентрируются митохондрии. На этой стадии почти вся цитоплазма сперматиды отторгается, так что головка зрелого сперматозоида практически ее лишена.

МЕЙОЗ (деления созревания, период созревания), этап в образовании половых клеток; состоит из двух последовательных делений исходной диплоидной клетки (содержат два набора хромосом – 2n) и формирования четырёх гаплоидных половых клеток, или гамет (содержат по одному набору хромосом – n). Уменьшение (редукция) числа хромосом (2nn) происходит за счёт того, что на два деления приходится лишь одно удвоение (репликация) хромосомного материала. При оплодотворении гаплоидные гаметы – яйцеклетка и сперматозоид – сливаются и диплоидное число хромосом, характерное для каждого вида, восстанавливается (n + n2n). В главных чертах мейоз протекает сходно у разных групп организмов и у особей женского и мужского пола. Два следующих друг за другом деления первичной половой клетки обозначаются как мейоз I и мейоз II. Подобно делению соматических клеток – митозу, и мейоз I, и мейоз II состоят из четырёх основных стадий – профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Вступающая в мейоз клетка диплоидна, а каждая хромосома содержит удвоенное количество ДНК. В первом мейотическом делении особенно сложна и длительна профаза I (у человека она занимает 22,5 сут). На этой стадии гомологичные хромосомы соединяются (конъюгируют) в пары – биваленты. В каждой хромосоме бивалента различимы в микроскопе две продольные половины – хроматиды, т. е. бивалент представляет собой четвёрку (тетраду) хроматид. В профазе I происходит генетически значимое событие – обмен гомологичными (содержащими одни и те же гены) участками несестринских хроматид, или кроссинговер. В анафазе I биваленты разъединяются и гомологичные хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки, причем, в отличие от анафазы митоза, каждая хромосома сохраняет две хроматиды. В результате число хромосом уменьшилось вдвое, но удвоенным остаётся и количество ДНК, представленное двумя хроматидами. Важная особенность расхождения хромосом заключается в том, что любая, отцовская или материнская, хромосома из гомологичной пары может отойти к любому из полюсов независимо от того, как расходятся хромосомы других пар. Это означает, что число возможных сочетаний хромосом в дочерних клетках обычно очень велико: 2n, где n – число хромосомных пар (у человека – 223). Так происходит ещё одно перемешивание родительского генетического материала – рекомбинация хромосом. После мейоза I обычно сразу или после короткой интерфазы, во время которой удвоение хромосом не происходит, следует мейоз II. Это деление аналогично митозу с той разницей, что делятся гаплоидные клетки. В анафа-зе II сестринские хроматиды разделяются и, став хромосомами, расходятся к полюсам. Число хромосом и количество ДНК приходят в соответствие, и мейоз II завершается образованием четырёх гаплоидных гамет, каждая из которых несёт уникальный генетический материал. У самок, однако, лишь одна из четырёх гамет – яйцеклетка, способная к оплодотворению. Мейоз – один из ключевых биологических процессов. Его значение состоит в поддержании в поколениях постоянства хромосомных наборов (кариотипов), т. е. в обеспечении наследственности, и в создании новых сочетаний отцовских и материнских генов, т. е. в обеспечении генотипической изменчивости.

Сущность гаметогенеза. Цитология гаметогенеза - мейоз

Человеческий организм как биологический индивидуум передает свою генетическую информацию потомству, тем самым обеспечивая непрерывность биологической информации всего вида. У человека, как и у животных, наследственное вещество содержится в хромосомах. Хромосомы представляют собой структуры клеточного ядра, они являются носителями генетической информации — генов.

Основным составным веществом хромосом является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), играющая главную роль в передаче наследственных признаков. Кроме того, в состав хромосом входят белки и рибонуклеиновая кислота (РНК), имеющая значение для синтеза белков.

Ядра клеток каждого биологического вида содержат определенный набор хромосом, который характеризуется своим относительным постоянством для каждого вида. В соматических клетках организма содержится в два раза больше хромосом, чем в зрелых половых клетках. Половину хромосом организм при этом получает от материнского организма, а половину — от отцовского.

Двойной набор хромосом называется диплоидным набором, а их половинное количество в зрелых половых клетках — гаплоидным набором хромосом. Поскольку хромосомы диплоидной клетки получены от обоих родителей, то они являются парными, причем один член пары происходит из яйцеклетки, а второй — из спермия.

Парные хромосомы, как правило, не отличаются между собой и потому называются гомологичными. Количество гомологичных хромосом сравнительно постоянно и является систематическим признаком для каждого вида.

Ядра соматических клеток человека содержат 46 хромосом, причем 22 пары состоят из гомологичных хромосом (это так называемые аутосомы), а одна пара представлена половыми хромосомами (так называемые гоносомы). Пару половых хромосом у женского пола образуют две одинаковые хромосомы, обозначаемые XX, а у мужского пола один член пары такой же, как и у женщин (он обозначается X), а второй член, обозначаемый Y, отличается от этой хромосомы по величине и по виду.

Отдельные хромосомы лучше всего идентифицируются во время митотического деления. В метафазе хорошо видны количество и форма хромосом, расположенных в экваториальной плоскости. В это время хромосомы особенно коротки и утолщены, каждая из них расщеплена вдоль на две половинки — хроматиды.

Обе хроматиды соединяются в месте, называемом центромерой. Таким образом, в каждой хромосоме имеется центромера, исполняющая функцию центра движения. В метафазе к центромере присоединяется волокно веретенца, которое притягивает хромосомы к противоположным полюсам. Центромера определяет ориентировку хромосом в митозе и их правильное расхождение к клеточным полюсам.

Лишь после расщепления центромеры хроматиды расступаются. Центромера может располагаться в хромосоме различно. В зависимости от ее расположения и длины плеч хромосомы по обе стороны от центромеры у человека различаются три вида хромосом. В свою очередь, отдельные виды хромосом в соответствии с их общей длиной делятся на 7 групп. Набор хромосом соматической клетки, разделенный по этим группам, представляет собой так называемый кариотип.

Деление клеток. Митоз. Мейоз. Гаметогенез

жизненный цикл клетки, интерфаза, митоз, амитоз, прямое бинарное деление, мейоз, развитие половых клеток, гаметогенез, сперматогенез, овогенез
Период с момента возникновения клетки до следующего деления или гибели называется жизненным циклом клетки. Часть жизненного цикла клетки от ее возникновения до начала деления называется интерфазой.

Во время интерфазы происходит подготовка клетки к делению: удвоение ДНК, синтезируются РНК и белки, увеличивается число митохондрий, пластид, рибосом и поверхность шероховатой эндоплазматической сети. В этот период синтезируются белки микротрубочек, из которых будет формироваться веретено деления во время митоза, запасается энергия. На процесс репликации ДНК затрачивается энергия АТФ. Совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению и в период деления называется митотическим циклом (от названия основного типа деления -митоза).

Деление клетки . После того как в клетке завершаются биохимические процессы подготовки к делению, начинается таинственный и до конца не изученный процесс. В настоящее время известно несколько способов деления клетки: митоз, прямое бинарное деление, амитоз и мейоз. Деление клеток – основа процесса размножения.

Митоз – основной способ деления эукариотических клеток. В исходной материнской клетке количество хромосом (n) и ДНК (с) = 2n2c, в интерфазе, после удвоения ДНК, набор = 2n4c. Различают четыре фазы митоза:

Фазы митоза

Профаза

две центриоли расходятся к полюсам клетки;

формируется веретено деления;

исчезает ядрышко, разрушается ядерная оболочка.

хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки;

Хроматиды, удвоенные в интерфазе, становятся самостоятельными хромосомами и расходятся к полюсам клетки.

формируется ядерная мембрана, образуется ядро;

органоиды распределяются между двумя клетками;

Биологическое значение митоза заключается в следующем: при делении материнской клетки происходит удвоение генетического материала и его распределение между дочерними клетками. Благодаря равномерному разделению реплицированных хромосом между дочерними клетками обеспечивается образование генетически равноценных клеток и сохраняется преемственность в ряду клеточных поколений. Таким образом, из одной исходной (материнской) клетки образуется две новые – дочерние клетки с диплоидным набором хромосом 2n. Митоз поддерживает постоянное число хромосом в клетках следующего поколения, дочерние клетки получают точно такую же генетическую информацию, которая находилась в ядре материнской клетки. Это обеспечивает такие важные моменты жизнедеятельности, как эмбриональное развитие и рост организмов, восстановление органов и тканей после повреждения. Митотическое деление клеток является цитологической основой бесполого размножения организмов.

Бактериальные клетки содержат только одну кольцевую молекулу ДНК, прикрепленную к клеточной мембране. Перед делением клетки ДНК удваивается и образуются две идентичные молекулы ДНК, каждая из которых также прикреплена к клеточной мембране. При делении клетки мембрана врастает между двумя молекулами ДНК так, что в конечном итоге в каждой дочерней клетке оказывается по одной идентичной молекуле ДНК. Такой процесс получил название прямого бинарного деления.

Амитоз или прямое деление, — это деление интерфазного ядра путем перетяжки. При амитозе веретено деления не образуется и хромосомы в световом микроскопе неразличимы. Такое деление встречается у одноклеточных организмов (например, так делятся большие ядра инфузорий), при различных патологических процессах, таких как злокачественный рост, воспаление и т. п. Амитоз можно наблюдать в тканях растущего клубня картофеля, эндосперме семян, стенках завязи пестика и паренхиме черешков листьев. У животных и человека такой тип деления характерен для клеток печени, хрящей, роговицы глаза. Амитоз в отличие от митоза является самым экономичным способом деления, так как энергетические затраты при этом весьма незначительны.

Мейоз (греч. meiosis -— уменьшение) — это способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом вдвое и переход клеток из диплоидного состояния (2л) в гаплоидное (п). Мейоз проходит два сменяющих друг друга деления, каждое деление имеет фазы подобно митозу - это профаза, метафаза, анафаза, телофаза. Перед первым делением – интерфаза: происходит репликация (удвоение) ДНК.

Фазы мейоза

Гомологичные хромосомы присоединяются друг к другу, переплетаются, происходит перекрест хромосом – коньюгация.

Коньюгирующие хромосомы могут обмениваться участками - кроссинговер.

Образуются две дочерние диплоидные клетки с набором хромосом 2n

Образуются гаплоидные клетки с набором хромосом - n.

Биологическая сущность мейоза состоит в формировании половых клеток с уменьшенным, гаплоидным, набором хромосом. Редукционное деление является механизмом, препятствующим непрерывному увеличению числа хромосом при слиянии гамет. Не будь такого механизма, при половом размножении число хромосом удваивалось бы в каждом новом поколении. Благодаря мейозу поддерживается определенное и постоянное число хромосом во всех поколениях каждого вида растений, животных и грибов.

Другое важное значение мейоза заключается в обеспечении чрезвычайного разнообразия генетического состава гамет в результате кроссинговера - возникают новые комбинации генов, и различного сочетания отцовских и материнских хромосом при их расхождении в анафазе I. Это обеспечивает появление разнообразного и разнокачественного потомства при половом размножении организмов.

перед митозом и первым делением мейоза в подготовительный период – интерфазу, происходит удвоение ДНК

Мейоз лежит в основе гаметогенеза – процесса образования половых клеток (гамет) у животных и спорогенеза – процесса образования спор у растений и грибов.

Сперматогенез – процесс образования мужских половых клеток (сперматозоидов). Овогенез - процесс образования женских половых клеток (яйцеклеток). У мужских особей все 4 гаплоидные клетки превращаются в сперматозоиды, а у женских особей образуется одна яйцеклетка – полноценная и жизнеспособная и три дочерние клетки превращаются в направительные тельца. Овогенез начинается в эмбриональном периоде, после рождения наступает перерыв, который заканчивается при половом созревании. Сперматогенез начинается только при половом созревании и продолжается до конца жизни человека, в то время, как овогенез заканчивается в определенном возрасте.
Фазы гаметогенеза

Если оплодотворения не происходит, то овотида погибает и выводится из организма

И так, краткая характеристика гаметогенеза:

делятся путем митоза;

♂ - сперматозоиды образуются практически всю жизнь;

♀ - яйцеклетки формируются в эмбриональный период, далее они сохраняются в состоянии покоя

Стадии гаметогенеза

Гамета — генеративная, половая клетка, образованная в результате мейоза ( у споровых растений — в результате митоза) и содержащая в своем ядре гаплоидный (одинарный) набор хромосом. Обеспечивает передачу наследственной информации от родителей к потомкам.

Гаметогенез — процесс образования половых клеток — основа продолжения жизни на Земле.

Организмы, у которых разные особи производят мужские и женские гаметы, — раздельнополы.
Виды организмов, у которых одна и та же особь производит и мужские и женские гаметы, — гермафродиты.

Органы, в которых образуются половые клетки, гаметы — гонады

Стадии гаметогенеза

Как уже было показано в теме «Мейоз», половые клетки — гаплоидные, т.е. имеют одинарный набор хромосом. Это задумано природой для того, чтобы, объединившись, две клетки с одинарным набором сформировали полноценный организм с диплоидным — двойным набором.

Давайте разберем процесс образования этих клеток поподробнее…

Стадии гаметогенеза

Женская половая клетка:

Яйцеклетка — округлая крупная неподвижная клетка, содержащая много желтка, образованного мелкими зернами, содержащими запас питательных веществ.

Ядро клетки лежит в области, свободной от питательных веществ.

Гамета покрыта оболочками, выполняющими защитную функцию, обеспечивают необходимый тип обмена веществ, а у плацентарных млекопитающих участвует во внедрении зародыша в стенку матки.

Мужская половая клетка:

Головка — содержит ядро и акросому (видоизмененным комплексом Гольджи) со специальными ферментами, разрушающими оболочку яйцеклетки

Шейка — содержит центриоли

Тело — содержит митохондрии

Хвост — содержит микротрубочки, обеспечивающие подвижность клетки.

происходит мейоз 1 — количество хромосом уменьшается вдвое. Образуется сперматоцит II порядка.
Второе деление — мейоз 2 — образуются четыре гаплойдные клетки — сперматиды . Они переходят на 4-ю стадию процесса.

4. Формирование (спермиогенез)

Клетки «доформировываются». Им предстоит долгий и трудный путь до яйцеклетки. Победителем в этом марафоне будет только один, поэтому необходимо подготовиться: уплотняется ядро, хромосомы спирализуются, цитоплазма уходит; формируется жгутик — именно за счет него сперматозойд осущствляет поступательное движение, в нем должно быть много белки и митохондрии. Спринтер готов.

Итак, давайте подведем итоги.

Сперамтозойд

Яйцеклетка

Активирует развитие яйцеклетки

Содержит большой запас питательных веществ, обеспечивающий развитие зиготы

Приобретает способность к оплодотворению в результате овуляции.

И те, и другие гаметы содержат гаплоидный (1n) надор хромосом.
В результате гаметогенеза образуется 1 функциональная яйцеклетка и несколько сперматозойдов.
Овогенез и гаметогенез различаются по времени прохождения процессов и по количеству клеток второго порядка.

Оплодотворение — процесс слияния ядер мужских и женских гамет, в результате которого образуется зигота — оплодотворенная яйцеклетка с диплоидным ( 2n) набором хромосом. Оплодотворение может быть наружным (внешним) и внутренним.

Читайте также: