Podstawy Genetyki i Chromosomów
Aby w pełni zrozumieć mejozę, warto zacząć od podstaw genetyki. Każda komórka somatyczna (służąca do życia, nie do rozmnażania) organizmu diploidalnego (np. człowieka) zawiera dwa zestawy chromosomów – u ssaków jeden od matki, drugi od ojca. <komórka może posiadać dwa zestawy chromosomów od jednego organizmu produkującego zarówno komórki jajowe, jak i komórki plemnikowe – np. u paproci>
Jak wygląda genom komórki diploidalnej?
Przykładowy genom komórki diploidalnej przedstawiam na poniższym rysunku:
Jak widzisz ta komórka ma chromosomy (a więc i geny) zarówno od matki (czerwone), jak i od ojca (niebieskie). Czyli ma dwa zestawy chromosomów. Co za tym idzie, jest diploidalna (2n).
U ludzi zwykłe komórki organizmu mają 23 chromosomy od matki (na rysunku byłyby 23 sztuki czerwonych chromosomów) i 23 chromosomy od ojca (niebieskich).
Dlaczego? Bo dostajemy dwie wersje tej samej cechy. Przykładowo: geny od matki warunkujące błękitne oczy i geny od ojca warunkujące piwne oczy. Jest to ta sama cecha, ale w dwóch różnych wersjach. Dlatego mówimy, że nasze komórki są 2n / diploidalne = mają dwa zestawy chromosomów.
Po co jest Mejoza?
Zobacz, co by się stało, gdybyśmy połączyli komórki somatycznezwykłe komórki organizmu ojca i matki bez żadnej ingerencji w ilość materiału genetycznego:
łączymy z:
dostajemy:
Tak wyglądałaby komórka dziecka (powyżej), gdyby nie było mejozy. Byłaby tetraidalna (4n).
Mejoza to proces, który redukuje liczbę chromosomów o połowę.
Jest to niezbędne, jeśli chcemy łączyć dwie komórki (plemnikową i jajową) i otrzymywać organizm o takiej samej liczbie chromosomów jak rodzicielski, lub po prostu organizm o stałej liczbie chromosomów dla danego gatunku. A nie zwiększać ilość DNA w każdym kolejnym pokoleniu.
Mejoza prowadzi do powstania gamet lub zarodników. W przypadku gamet powstają plemniki u osobników męskich i komórki jajowe u osobników żeńskich. Inną opcją jest powstanie zarodników, które możemy obserwować np. u paprotników. Zarodniki nie łączą się ze sobą. Z nich wyrasta pokolenie 1n (haploidalne).
Podsumujmy ten fragment artykułu:
Mejoza to kluczowy mechanizm, który zapobiega podwajaniu liczby chromosomów w każdym pokoleniu. Jeżeli wziąłbyś komórkę diploidalną (2n) od matki i komórkę diploidalną (2n) od ojca i je połączył, to w efekcie dziecko byłoby tetraidalne (4n). Aby tego uniknąć, trzeba zredukować liczbę chromosomów o połowę. W przypadku zaroników, powstają z nich haploidalne organizmy, które produkują od razu haploidalne komórki płciowe. Zauważ, że efekt jest ten sam: łączą się ostatecznie dwie komórki 1n (plemnikowa i jajowa), dając organizm 2n.
Cel Mejozy
Zwykła komórka organizmu (2n):
Przed mejozą dochodzi do replikacji (podwojenia) materiału genetycznego. Komórka po replikacji (2 x 2n):
Był materiał genetyczny 2n, teraz jest 2 x 2n. Jeśli zatem chcesz uzyskać chromosomy (1n), to widać, że z komórki ze zreplikowanym materiałem genetycznym (2 x 2n), możesz uzyskać aż 4 komórki 1n.
Co chcesz uzyskać w wyniku mejozy:
albo bardziej realistycznie:
ale czemu tak, jak na obrazku bardziej realistycznym, omówię w dalszej części. Z komórki diploidalnej 1 osoby po mejozie uzyskamy 4 komórki haploidalne.
Co uzyskamy po połączeniu się takich komórek? Zwykłą komórkę diploidalną, czyli taką, od jakiej zaczęliśmy:
Ale! U ludzi taką komórkę uzyskujemy łącząc materiał z dwóch różnych osobników!
Przebieg mejozy
Mejoza składa się z dwóch głównych podziałów: mejozy I i mejozy II, z których każda dzieli się na kilka etapów. Startujemy od zreplikowanej komórki, w której materiał genetyczny ma postać chromatyny,chromatyna = DNA zawinięte na białka histonowe, ale nadal występujące w postaci nici, nie upakowane a nie chromosomów:
Mejoza I
1. Profaza I:
- Chromosomy zaczynają się kondensować.
- Chromosomy homologiczne (odpowiedzialne za te same cechy, np. za kolor oczu) zaczynają się parować, czyli tworzyć biwalenty.
- Dochodzi do crossing-over, czyli wymiany fragmentów chromatyd między chromosomami homologicznymi (patrz końcówki chromosomów).
- Zaczyna zanikać otoczka jądrowa (żeby chromosomy mogły się wydostać i poruszać w komórce w kolejnych fazach – u mnie nie jest narysowana otoczka jądrowa, aby nie zamazać rysunku, ale w domyśle Profaza zachodzi jeszcze w jądrze komórkowym).
- Powstaje wrzeciono kariokinetyczne (podziałowe).
2. Metafaza I:
- Wrzeciono podziałowe przyłącza się do biwalentów.
- Biwalenty ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki.
Wrzeciono podziałowe w Metafazie jest po to, aby ustawić biwalenty równo na środku.
Uwaga! Nie uwzględniono na rysunkach crossing-over.
3. Anafaza I:
- Wrzeciono kariokinetyczne się skraca.
- Biwalenty rozdzielają się na chromosomy. Te zaś przemieszczają do przeciwnych biegunów komórki.
4. Telofaza I:
- Komórka dzieli się na dwie haploidalne komórki potomne, każda z jednym zestawem chromosomów. Każdy chromosom jest zbudowany z dwóch chromatyd siostrzanych. Jedna chromatyda to jedna cząsteczka DNA (połowa X). W tym momencie doszło do redukcji materiału genetycznego: komórki są 1n.
Pamiętaj, że chromosomy rozplatają się do chromatyny, powstaje jądro komórkowe, zanika wrzeciono kariokinetyczne.
Mejoza II
Mejoza II obejmuje następujące etapy (pamiętaj, że startujemy teraz z 2 komórkami):
1. Profaza II:
- Chromosomy zbudowane z dwóch chromatyd siostrzanych zaczynają się kondensować.
- Zaczyna zanikać otoczka jądrowa.
- Powstaje wrzeciono kariokinetyczne (podziałowe)
2. Metafaza II:
- Wrzeciono podziałowe przyłącza się do chromosomów.
- Chromosomy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej każdej komórki.
3. Anafaza II:
- Wrzeciono podziałowe się skraca.
- Chromosomy dzielą się na chromatydy, a te przemieszczają do przeciwnych biegunów komórki.
4. Telofaza II:
- Komórki dzielą się, tworząc cztery haploidalne komórki potomne, każda z jednym zestawem chromosomów. Każdy chromosom zbudowany jest z jednej chromatydy.
Znaczenie Crossing-Over
Crossing-over jest jednym z kluczowych elementów mejozy. Podczas profazy I chromatydy homologicznych chromosomów wymieniają fragmenty DNA, co prowadzi do dodatkowego efektu rekombinacji genetycznej. Dzięki temu potomstwo posiada unikalne kombinacje genów, co zwiększa różnorodność genetyczną populacji.
Rekombinacja materiału genetycznego poza Crossing-Over
Jeżeli w komórce dzielącej się mejotycznie, nie zachodziłoby Crossing-Over, to wciąż byłaby zapewniona rekombinacja genetyczna. Dzieje się tak dlatego, że komórkach diploidalnych obecne są chromosomy pochodzące z dwóch organizmów rodzicielskich (dla ułatwienia określmy je mianem matki i ojca). W momencie układanie się równikowo podczas Metafazy, chromosomy od matki i ojca mogą się znaleźć zarówno po lewej, jak i po prawej stronie linii równikowej komórki. Czyli nie jest powiedziane, że wszystkie od matki będą po jednej stronie, a wszystkie od ojca po prawej. Przeciwnie. Układają się losowo. Efekt jest taki, że podczas Anafazy, po przeciwległych biegunach komórki lądują zmiksowane zestawy chromosomów: np. kolor oczu jest od matki, ale kolor włosów od ojca (patrz obrazek).
Dlatego już sama mejoza bez Crossing-over jest w stanie zapewnić rekombinację genów.
Rola Mejozy w Ewolucji
Różnorodność genetyczna jest podstawą ewolucji. Dzięki mejozie i dodatkowo procesowi crossing-over, organizmy mogą adaptować się do zmieniających się warunków środowiskowych. Nowe kombinacje genów mogą prowadzić do powstania cech, które zwiększają szanse na przeżycie i rozmnażanie.
Zaburzenia Mejozy
Chociaż mejoza jest zazwyczaj bardzo precyzyjnym procesem, czasami mogą wystąpić błędy. Niewłaściwe rozdzielenie chromosomów może prowadzić do aneuploidii, czyli zmiany liczby chromosomów w komórkach. Przykładem jest zespół Downa, spowodowany obecnością dodatkowego chromosomu 21.
Praktyczne Zastosowania Mejozy
Zrozumienie mejozy ma wiele praktycznych zastosowań w różnych dziedzinach nauki i medycyny:
1. Genetyka Medyczna: Wiedza o mejozie pomaga w diagnozowaniu i leczeniu chorób genetycznych.
2. Hodowla Roślin i Zwierząt: Hodowcy wykorzystują wiedzę o mejozie do tworzenia nowych odmian roślin i ras zwierząt o pożądanych cechach.
3. Biotechnologia: Manipulacja procesem mejozy może prowadzić do produkcji organizmów z unikalnymi właściwościami, co ma zastosowanie w medycynie, rolnictwie i przemyśle.
Podsumowanie
Mejoza jest fundamentalnym procesem biologicznym, który umożliwia rozmnażanie płciowe i prowadzi do różnorodności genetycznej. Dzięki dwóm etapom podziału komórkowego, crossing-over i rekombinacji genetycznej, mejoza generuje komórki haploidalnehaploidalne = o jednym zestawie chromosomów o unikalnych zestawach genów. Jest to kluczowy mechanizm ewolucji, który pozwala organizmom adaptować się do zmieniających się warunków środowiskowych. Zrozumienie mejozy ma również istotne znaczenie w medycynie, hodowli oraz biotechnologii.
Co powinieneś umieć:
- uzasadnić, że mejoza jest niezbędna do zachowania stałej ilości materiału genetycznego gatunku
- wykazać, że mejoza gwarantuje różnorodność genetyczną
- wyjaśnić, dlaczego mejozę nazywa się podziałem redukcyjnym
- opisać przebieg mejozy.