Reproducerea sexuală necesită fertilizare, o uniune a două celule din două organisme individuale. Dacă aceste două celule conțin fiecare un set de cromozomi, atunci celula rezultată conține două seturi de cromozomi. Numărul de seturi de cromozomi dintr-o celulă se numește nivelul său de ploidie. Celulele haploide conțin un set de cromozomi. Celulele care conțin două seturi de cromozomi se numesc diploide. Dacă ciclul reproductiv trebuie să continue, celula diploidă trebuie să-și reducă cumva numărul de seturi de cromozomi înainte ca fertilizarea să poată avea loc din nou, sau va exista o dublare continuă a numărului de seturi de cromozomi în fiecare generație. Deci, pe lângă fertilizare, reproducerea sexuală include o diviziune nucleară, cunoscută sub numele de meioză, care reduce numărul de seturi de cromozomi. Meioza apare în timpul procesului de gametogeneză, care este producția de gameți (ovocite și spermatozoizi).

figura 1 arată un cariotip a unui bărbat uman. Un cariotip este o imagine produsă prin aranjarea imaginilor fiecărui cromozom dintr-o celulă în perechi sistematice. După cum puteți vedea, există 23 de perechi totale de cromozomi, iar 22 dintre ele conțin perechi potrivite de aceeași dimensiune cu modele de bandă similare, indicând faptul că celulele din fiecare pereche conțin aceleași gene. Fiecare dintre aceste 22 de perechi se numește perechi omoloage, iar perechile sunt numerotate în ordinea mărimii, cele două copii ale cromozomului 1 fiind cele mai mari. Perechea finală de cromozomi nu se potrivește în dimensiuni sau tipare de bandă; acestea sunt cromozomii sexuali și se numesc cromozomul X și cromozomul Y. În majoritatea celulelor umane, există 22 de perechi potrivite de cromozomi și 1 pereche de cromozomi sexuali. Aproape toți bărbații au un cromozom sexual X și un cromozom sexual Y și aproape toate femelele au 2 X cromozomi sexuali, în fiecare celulă. Gametii sunt unici prin faptul că au jumătate din cromozomii altor celule: doar un cromozom sexual și doar 22 de alți cromozomi, nu 22 de perechi.

Care sunt
Figura 1: Un cariotip al unui bărbat uman. Fiecare pereche de cromozomi conține sute până la mii de gene. Modelele de bandaj sunt aproape identice pentru cei doi cromozomi din fiecare pereche, indicând aceeași organizare a genelor. După cum este vizibil în acest cariotip, singura excepție de la aceasta este perechea de cromozomi sexuali XY la bărbați. (credit: Institutul Național de Cercetare a Genomului Uman)

Majoritatea animalelor și plantelor sunt diploide, conținând două seturi de cromozomi; în fiecare celula somatica (celulele nereproductive ale unui organism multicelular), nucleul conține două copii ale fiecărui cromozom care sunt denumite cromozomi omologi. Celulele somatice sunt uneori denumite celule „corp”. Cromozomii omologi sunt perechi potrivite care conțin gene pentru aceleași trăsături în locații identice de-a lungul lungimii lor. Organismele diploide moștenesc câte o copie a fiecărui cromozom omolog de la fiecare părinte; împreună, sunt considerați un set complet de cromozomi. La animale, celulele haploide care conțin o singură copie a fiecărui cromozom omolog se găsesc numai în gamete. Gametele se fuzionează cu un alt gamet haploid pentru a produce o celulă diploidă.

Interfază

Meioza este precedată de o etapă numită interfază. În acest stadiu, ADN-ul cromozomilor este reprodus, astfel încât fiecare celulă conține două copii ale fiecărei cromatide. Aceasta înseamnă că într-o celulă umană, ambele copii ale cromozomului 1 sunt copiate pentru a produce 4 cromatide, ambele copii ale cromozomului 2 sunt copiate pentru a produce 4 cromatide și așa mai departe. De asemenea, celula crește și produce suficient din enzimele și structurile necesare pentru meioză în această perioadă de interfază.

Meioza I

La începutul meiozei I, cromozomii pot fi văzuți clar microscopic. Pe măsură ce învelișul nuclear începe să se descompună, proteinele asociate cromozomilor omologi apropie perechea una de cealaltă. Cromozomii omologi sunt acum aranjați în centrul celulei, cu capetele fiecărei perechi de cromozomi omologi orientate către polii opuși. Orientarea fiecărei perechi de cromozomi omologi în centrul celulei este aleatorie.

Această întâmplare, numită sortiment independent, este baza fizică pentru generarea celei de-a doua forme de variație genetică la descendenți. Luați în considerare faptul că cromozomii omologi ai unui om sunt moșteniți inițial ca două seturi separate, câte unul de la fiecare părinte. Un set de 23 de cromozomi este prezent în ovulul donat de mamă. Tatăl asigură celălalt set de 23 de cromozomi din sperma care fertilizează ovulul. Aceste perechi se aliniază la jumătatea distanței dintre cei doi poli ai celulei, iar dispunerea lor în raport cu cei doi poli este aleatorie. Orice cromozom moștenit matern se poate confrunta cu oricare pol. Orice cromozom moștenit paternal poate face față oricărui pol. Orientarea fiecărei perechi este independentă de orientarea celorlalte 22 de perechi.

În fiecare celulă care suferă meioză, dispunerea cromozomilor este diferită. Există două posibilități de orientare (pentru fiecare pereche); astfel, numărul posibil de alinieri este egal cu 2 n unde n este numărul de cromozomi pe set. Oamenii au 23 de perechi de cromozomi, ceea ce duce la peste opt milioane (2 23) de posibilități. Alte mecanisme care nu sunt discutate în această clasă pot crește și variația fiecărei celule produse. Având în vedere atât sortimentul independent, cât și aceste alte mecanisme, este foarte puțin probabil ca oricare două celule haploide care rezultă din meioză să aibă aceeași compoziție genetică.

Apoi, fibrele proteice din celulă separă cromozomii legați. Fibrele trag cromozomul către polii opuși ai celulei. La fiecare pol, există doar un membru din fiecare pereche de cromozomi omologi, deci este prezent un singur set complet de cromozomi. Acesta este motivul pentru care celulele sunt considerate haploide - există un singur set de cromozomi, chiar dacă există copii duplicate ale setului, deoarece fiecare omolog este încă format din două „surori: cromatide care sunt încă atașate una de cealaltă. Citokineza, în cazul în care membrana celulară se prinde în centrul celulei pentru a o separa în două, acum apare, împărțind fiecare celulă în două celule care conțin un set complet de cromozomi.

Conceptul în acțiune

Meioza II

În meioza II, cromatidele surori conectate rămase în celulele haploide din meioza I vor fi împărțite pentru a forma patru celule haploide. Cele două celule produse în meioză trec prin evenimente ale meiozei II în sincronie. În general, meioza II seamănă cu diviziunea mitotică a unei celule haploide.

În primul rând, anvelopa nucleară se descompune și cromozomii sunt clar vizibili la microscop. Cromatidele surori se aliniază apoi în centrul celulei. Fibrele proteice trag câte una din fiecare pereche de surori către polii celulei. Cromozomii ajung la polii opuși . În jurul cromozomilor se formează plicuri nucleare. Citokineza separă cele două celule în patru celule haploide unice genetic. În acest moment, nucleele din celulele nou produse sunt ambele haploide și au o singură copie a setului unic de cromozomi. Celulele produse sunt unice genetic din cauza sortimentului aleatoriu de omologi paterni și materni și din cauza altor surse de variație care nu sunt discutate aici.

Comparând meioza și mitoza

Mitoza și meioza, care sunt ambele forme de diviziune a nucleului în celulele eucariote, au unele asemănări, dar prezintă, de asemenea, diferențe distincte care duc la rezultatele lor foarte diferite. Mitoza este o singură diviziune nucleară care are ca rezultat două nuclee, de obicei partiționate în două celule noi. Nucleii rezultați dintr-o diviziune mitotică sunt identici genetic cu cei originali. Au același număr de seturi de cromozomi: unul în cazul celulelor haploide și două în cazul celulelor diploide. Pe de altă parte, meioza este două diviziuni nucleare care au ca rezultat patru nuclee, de obicei partiționate în patru celule noi. Nucleii rezultați din meioză nu sunt niciodată identici din punct de vedere genetic și conțin un singur set de cromozomi - acesta este jumătate din numărul celulei originale, care era diploidă (Figura 2).

Diferențele în rezultatele meiozei și mitozei apar din cauza diferențelor în comportamentul cromozomilor în timpul fiecărui proces. Majoritatea acestor diferențe în procese apar în meioza I, care este o diviziune nucleară foarte diferită de mitoză. În meioza I, perechile de cromozomi omologi se asociază unul cu celălalt, sunt legate între ele, experimentează chiasmate și încrucișări între cromatide surori și se aliniază de-a lungul plăcii metafazice în tetrade cu fibre de fus din poli opuși atașați la fiecare kinetocor al unui omolog o tetradă. Toate aceste evenimente apar doar în meioza I, niciodată în mitoză.

Cromozomii omologi se deplasează către poli opuși în timpul meiozei I, astfel încât numărul de seturi de cromozomi din fiecare nucleu care urmează să fie redus de la doi la unu. Din acest motiv, meioza I este denumită a diviziune de reducere. Nu există o astfel de reducere a nivelului de ploidie în mitoză.

Meioza II este mult mai analogă cu o diviziune mitotică. În acest caz, cromozomii duplicați (doar un singur set dintre ei) se aliniază în centrul celulei cu kinetocori divizați atașați la fibrele fusului de la poli opuși. La fel ca în mitotis, o cromatidă soră este trasă la un pol, iar cealaltă cromatidă soră este trasă la celălalt pol în timpul meiozei II. Meioza II nu este o diviziune de reducere deoarece, deși există mai puține copii ale genomului în celulele rezultate, există încă un set de cromozomi, așa cum a existat la sfârșitul meiozei I.

Celulele produse de mitoză vor funcționa în diferite părți ale corpului ca parte a creșterii sau înlocuirea celulelor moarte sau deteriorate, dar celulele produse de meioză vor participa doar la reproducerea sexuală.

Figura 2. Meioza și mitoza sunt ambele precedate de o rundă de replicare a ADN-ului; cu toate acestea, meioza include două divizii nucleare. Cele patru celule fiice rezultate din meioză sunt haploide și distincte genetic. Celulele fiice rezultate din mitoză sunt diploide și identice cu celula părinte.

Conceptul în acțiune

Gametogeneza (Spermatogeneza și Oogeneza)

Gametogeneza, producția de spermă și ovule, include procesul de meioză pentru a produce celule haploide, precum și creșterea și maturarea acestor celule în ovocite și spermatozoizi. Producția de spermă se numește spermatogeneza iar producția de ouă se numește oogeneza.

Spermatogeneza

Figura 3. În timpul spermatogenezei, patru spermatozoizi rezultă din fiecare spermatocit primar.

Spermatogeneza, ilustrată în Figura 3, apare în peretele tubulilor seminiferi, cu celule stem la periferia tubului și spermatozoizii la lumenul tubului. Imediat sub capsula tubulului sunt celule diploide nediferențiate. Aceste celule stem, numite spermatogonia (singular: spermatagonium), trec prin mitoză, o descendență urmând să se diferențieze într-o celulă spermatozoidă și cealaltă dând naștere următoarei generații de spermatozoizi.

Meioza începe cu o celulă numită spermatocit primar. La sfârșitul primei diviziuni meiotice, se produce o celulă haploidă numită spermatocit secundar. Această celulă este haploidă și trebuie să treacă printr-o altă diviziune celulară meiotică. Celula produsă la sfârșitul meiozei se numește spermatidă și când ajunge în lumenul tubulului și crește un flagel, se numește spermă. Patru spermatozoizi rezultă din fiecare spermatocit primar care trece prin meioză.

Celulele stem sunt depuse în timpul gestației și sunt prezente la naștere până la începutul adolescenței, dar într-o stare inactivă. În timpul adolescenței, hormonii gonadotropi din hipofiza anterioară determină activarea acestor celule și producerea spermei viabile. Acest lucru continuă până la bătrânețe.

Link către învățare

Oogeneza

Oogeneza, ilustrată în Figura 4, apare în straturile exterioare ale ovarelor. Ca și în cazul producției de spermă, oogeneza începe cu o celulă germinativă, numită oogoniu (plural: oogonia), dar această celulă suferă mitoză pentru a crește în număr, rezultând în cele din urmă până la aproximativ unu până la două milioane de celule în embrion.

Figura 4 Procesul de oogeneză are loc în stratul cel mai exterior al ovarului.

Producția de ovocite începe înainte de naștere, este arestată în timpul meiozei până la pubertate și apoi celulele individuale continuă la fiecare ciclu menstrual. Un ovocit este produs din fiecare proces meiotic, cromozomii și cromatidele suplimentare merg în corpuri polare care degenerează și sunt reabsorbite de corp.

Rezumatul secțiunii

Reproducerea sexuală la om necesită ca celulele individuale diploide să producă celule haploide care se pot contopi în timpul fertilizării pentru a forma descendenți diploizi. Procesul care duce la celule haploide se numește meioză. Meioza este o serie de evenimente care aranjează și separă cromozomii în celule fiice. În timpul interfazei meiozei, fiecare cromozom este duplicat. În meioză, există două runde de diviziune nucleară rezultând patru nuclee și, de obicei, patru celule fiice haploide, fiecare cu jumătate din numărul de cromozomi ca celula părinte. În timpul meiozei, variația în nucleele fiice este introdusă din cauza alinierii aleatorii în meioza I. Celulele produse de meioză sunt unice genetic.

Meioza și mitoza au similarități, dar au rezultate distincte. Diviziunile mitotice sunt divizii nucleare unice care produc nuclee fiice care sunt identice genetic și au același număr de seturi de cromozomi ca celula originală. Diviziunile meiotice sunt două diviziuni nucleare care produc patru nuclee fiice care sunt diferite genetic și au un set de cromozomi mai degrabă decât cele două seturi pe care le avea celula părinte. Principalele diferențe dintre procese apar în prima diviziune a meiozei. Cromozomii omologi se separă în nuclei diferiți în timpul meiozei I provocând o reducere a nivelului de ploidie. A doua diviziune a meiozei este mult mai asemănătoare cu o diviziune mitotică.

Asemănări importante există între spermatogeneză și oogeneză: în timpul ambelor procese, o celulă diploidă este duplicată de mai multe ori în mitoză pentru a produce precursori care suferă două runde de meioză pentru a produce spermă haploidă și ouă. Există diferențe importante în momentul acestor diviziuni și în simetria diviziilor. La bărbați, fiecare spermatagoniu produce patru spermatozoizi maturi, dar în oogeneză fiecare oogoniu poate produce un singur ovul fertilizat.