Metafaza I

Metafaza I wyjaśniona

W mejozie I, etap wyłożenia metafazy I jest stosunkowo szybki. Tetrady lub biwalenty (para chromosomów z czterema chromatydami (2 oryginały, 2 kopie) są wciągane do linii przy tym, co jest znane jako płytka metafazowa (lub równikowa). Ta płyta w rzeczywistości nie istnieje, ale jest wyimaginowaną linią centralną, wzdłuż której chromosomy są positioned.

Indywidualny chromosom w każdej parze pozostaje blisko swojego partnera i linii jeden na drugim. Doprowadzi to w końcu do migracji jednego chromosomu do jednego bieguna, drugiego do bieguna przeciwnego. Nie ma też znaczenia, w którym kierunku te chromosomy są zorientowane poziomo wzdłuż tej wyimaginowanej linii. DNA od każdego z rodziców może być skierowane w dowolną stronę komórki. Zwiększa to zmienność genów, ponieważ tam, gdzie jedna komórka córka może zawierać 40% chromosomów ojca i 60% matki, inna będzie miała 60% i 40% każdego z rodziców odpowiednio. To tłumaczyłoby na przykład, że pierwsze dziecko ma oczy ojca i nos matki, a drugie ma oczy matki i nos ojca. Ze względu na rekombinację w profazie, żadne z dzieci nie będzie wyglądało dokładnie tak samo jak jedno z rodziców, tylko podobnie.

W poniższym obrazie komórki cebuli (w metafazie I), ciemnopurpurowe zabarwione pary chromosomów są umieszczone centralnie wzdłuż płytki metafazowej.

W metafazie I, dwa chromosomy pary homologicznej stoją naprzeciwko siebie. Ponieważ doszło do rekombinacji, każda z czterech chromatyd (i, oczywiście, obie pary homologiczne) ma nieco inny materiał genetyczny. Dalsze etapy spowodują przesunięcie jednej z par homologicznych na jeden koniec komórki, a drugiej na przeciwległy. Oznacza to, że powstałe dwie komórki (wytworzone podczas cytokinezy na końcu mejozy I) będą zawierały pełne zestawy chromosomów, ale nie będą się one składały z par chromosomów.

Zamieszanie wokół chromosomów i chromatyd

Ten podział chromosomów jest szczególnie ważny do zrozumienia, ale często prowadzi do wielu nieporozumień. Warto spojrzeć na ten temat ze świeżej perspektywy, robiąc w tym procesie kilka kroków wstecz.

Kariotyp człowieka składa się z 22 par chromosomów i jednej pary chromosomów płci (XX lub XY). W sumie 23 pary chromosomów. Każda komórka nie będąca gametą zawiera ten zestaw 23 par w swoim jądrze, z wyjątkiem dojrzałych krwinek czerwonych lub starych komórek rogowaciejących. Dwa chromosomy tworzące parę homologiczną pochodzą od rodziców organizmu – jeden od ojca, a drugi od matki. W poniższym kariotypie człowieka płci męskiej pary te są bardzo wyraźne. Zwróć uwagę na obecność 23 par, a w sumie 46 chromosomów.

Na tym zdjęciu nie widać kształtu X. Każdy chromosom jest pojedynczą nicią. Każda pojedyncza nić to chromatyda z centromerem (niewidocznym). To dlatego, że kształt X istnieje tylko po replikacji DNA występuje podczas S etapie interfazy, która poprzedza zarówno mitozy i mejozy.

Wielkie zamieszanie wielu studentów napotkać podczas studiowania mejozy jest tradycyjny pomysł, że chromosomy są w kształcie X. Jest tak jednak dopiero wtedy, gdy każdy chromatyd zostanie powielony, tworząc dwie siostrzane chromatydy połączone ze sobą w centromerze. Przed replikacją, ludzki zestaw 23 par chromosomów (każda para składa się z jednego chromosomu od ojca, jednego od matki) ma 46 chromosomów, jak możemy policzyć na powyższym obrazku. Każdy z tych 46 chromosomów składa się z pojedynczej chromatydy. Kariotyp ludzki przed replikacją ma zatem 46 chromosomów (23 pary) i 46 chromatyd.

Po etapie S interfazy chromatydy ulegają replikacji, a ich kopie pozostają przyłączone do „siostry” poprzez centromer. Ostateczna liczba to nadal 23 pary chromosomów, ale każdy chromosom składa się teraz z dwóch chromatyd siostrzanych. Ta dodatkowa chromatyda nadaje chromosomowi kształt litery X, do którego jesteśmy przyzwyczajeni. Nadal jest 46 chromosomów (23 pary), ale teraz jest 92 chromatydy. Ponieważ kombinacja dwóch chromosomów (para) zawierających 4 chromatydy (dwa oryginalne, dwa replikowane) jest również znana jako tetrad lub biwalent, możemy również powiedzieć, że tetrad ma dwa chromosomy i cztery chromatydy. Tetrás w języku greckim oznacza cztery, podczas gdy bi odnosi się do dwóch.

To wszystko staje się o wiele jaśniejsze, gdy pomyślimy o celu mejozy i późniejszym zapłodnieniu jaja przez plemnik. Mejoza to dwuetapowy proces (z wieloma podetapami), który najpierw dzieli pojedynczą komórkę na dwie komórki, z których każda ma kompletny, ale nieco inny zestaw DNA zawarty w parach chromosomów. Dlatego właśnie DNA musi być wcześniej replikowane. W przeciwnym razie nie byłoby możliwe dostarczenie pełnego zestawu par chromosomów do dwóch komórek potomnych. Efektem końcowym są dwie komórki córki, z których każda zawiera 46 chromosomów (23 pary) i 46 chromatyd.

Te dwie komórki następnie dzielą się po raz drugi w ramach mejozy II, tworząc cztery komórki córki, z których każda zawiera kompletny zestaw DNA, który nie jest przedstawiony w parach chromosomów, lecz jako pojedynczy chromosom. Każda komórka zawiera teraz 23 chromosomy i 23 chromatydy. Komórki te są produkowane jako plemniki u mężczyzn i jaja u kobiet. Po zapłodnieniu pojedyncze chromosomy każdej płci łączą się, ponownie tworząc pełną parę chromosomów.

Ustawienie chromosomów wzdłuż płytki metafazowej

Wyobrażona linia przez środek komórki zwana płytką metafazową wymaga aparatu wrzeciona, aby wyrównać pasujące pary chromosomów wzdłuż jej długości.

Centriole, struktury białkowe, które wysyłają włókna znane jako mikrotubule, ustawiają się po przeciwnych stronach komórki, tworząc dwa bieguny. Długie włókna białkowe zwane mikrotubulami są następnie wysyłane z obu centrioli, tworząc aparat wrzecionowy. Mikrotubule te spotykają się (ale nie łączą się ze sobą) w centrum komórki, gdzie pary chromosomów ustawiają się w jednej linii. Gdy aparat wrzecionowy jest już zbudowany, następuje połączenie pomiędzy kinetochorem każdego chromosomu, znajdującym się w pobliżu jego centromeru. To przywiązanie jest bardzo stabilne i zostało porównane do chińskiej pułapki na palce – im większe napięcie, tym silniejsze przywiązanie.

Jeśli wyobrazimy sobie, że centriole leżą na północy i południu okrągłej komórki, z parami chromosomów wyłożonymi przez odpowiednik równika równika – jedna z par powyżej równika, a druga poniżej – łatwo również wyobrazić sobie, jak te pary chromosomów mogą być rozdzielone, jedna pociągnięta w górę, druga w dół wzdłuż tych włókien. Taka migracja nie zachodzi podczas metafazy. Zamiast tego, mikrotubule ciągną za chromosomy, aż zostaną one prawidłowo ułożone. Następnie komórka sprawdza, czy chromosomy są prawidłowo ustawione, zanim przejdzie do następnej fazy mejozy I.

Szybki przegląd mejozy I

Metafaza jest pojedynczym, krótkim etapem długiego procesu mejozy i występuje dwukrotnie – raz podczas mejozy I i raz podczas mejozy II. W celu umiejscowienia tego konkretnego etapu w procesie mejozy I, ważne jest, aby być choć trochę zaznajomionym z etapami lub fazami, które następują przed lub po metafazie.

Mejoza I rozpoczyna się od interfazy, przechodząc przez etapy profazy I, prometafazy, metafazy I, anafazy I, a w końcu telofazy I i cytokinezy, i jest procedurą, w której homologiczne chromosomy zostają rozdzielone. W wyniku mejozy zawsze powstają komórki płciowe lub gamety, w postaci jaj lub plemników.

Interfaza

Interfaza składa się z czterech etapów, z których pierwszy – Gap 1 – jest etapem, w którym większość komórek eukariotycznych spędza większość swojego życia i charakteryzuje się syntezą białek, co sprzyja wzrostowi, funkcjonowaniu i zdrowiu komórek. Interfaza występuje w komórkach zarówno przed procesem mitozy, jak i mejozy. W tej fazie DNA nie jest ciasno związane w formie chromosomów, ale luźno związane jako chromatyna. Jako chromatyna możliwa jest replikacja DNA. Ciasno związany jako chromosom, jest bardzo trudny do replikacji.

Drugi etap – S lub „synteza” – opisuje kopiowanie DNA w przygotowaniu do podziału komórki przed mitozą lub mejozą, gdzie histony białkowe są produkowane w celu owinięcia nowo skopiowanych nici DNA. Faza ta obejmuje również większą produkcję fosfolipidów, które są wykorzystywane do tworzenia błon nowych komórek.

Faza 3 – Gap 2 – opisuje replikację organelli komórkowych, a po raz kolejny synteza białek jest kluczowa. Na tym etapie możliwa jest jeszcze naprawa błędów w DNA.

Inny etap – Gap 0 – nie zawsze jest końcowym etapem interfazy. Może wystąpić przed G1, w trakcie G1 lub po podziale komórki. Komórki, które wchodzą w G0, mogą to uczynić przejściowo i dalej się dzielić lub całkowicie opuścić cykl replikacyjny i wejść w proces G0, który przekształca je w komórki terminalnie zróżnicowane.

Profaza

Profaza I charakteryzuje się kondensacją DNA w chromosomy, synapsą, crossing over z wynikającą z tego rekombinacją alleli, migracją chiazmatów do końców ramion chromatyd i przemieszczaniem się tych ramion w kierunku różnych biegunów, odciągając chromosomy bardzo nieznacznie od siebie. Błona jądrowa również zaczyna się rozpuszczać w przygotowaniu do migracji mikrotubul, które tworzą aparat wrzecionowy.

Prometafaza

Często zapominana, prometafaza jest synonimem zakończenia rozpadu otoczki jądrowej lub błony jądrowej i tworzenia kinetochorów. Kinetochory tworzą się w stosunku jeden na chromosom tak, że pierwsze ruchy chromosomów do przeciwległych biegunów za pomocą aparatu wrzeciona może rozpocząć. Kinetochory to białka tworz±ce punkty uchwytu na chromosomach, dzięki którym chromosomy mog± przywi±zać się do aparatu wrzeciona i poruszać się wzdłuż niego. Można to porównać do karabinków lub zacisków wspinaczkowych alpinistów lub abseilerów, które łączą wspinacza z liną, umożliwiając mu lub jej wejście na górę i zejście.

Metafaza

Metafaza, w którą ten artykuł wszedł znacznie bardziej szczegółowo, jest również znana jako etap „wyłożenia się”. Włókna wrzeciona z centrosomów na obu biegunach komórki łączą się z kinetochorami tetrad, wyściełając je przez środek komórki.

Anafaza

Podczas anafazy komórki zwiększają swój rozmiar. Ten wzrost jeszcze bardziej oddala od siebie przeciwległe bieguny i zapewnia siły trakcyjne, które mogą ostatecznie odciągnąć każdy chromosom od siebie i do przeciwległych końców (biegunów) komórki.

Telofaza

Gdy chromosomy osiągną przeciwległe bieguny, rozpoczyna się telofaza. Aparat wrzecionowy rozpada się, a dwie otoczki jądrowe tworzą się wokół dwóch zestawów chromosomów, które zaczynają się rozplątywać w „sznur paciorków” chromatyny.

Cytokineza

Cytokineza jest właściwym podziałem komórki. Rowek (zwany bruzdą) powstaje w środku komórki i zwęża się, podczas gdy mikrotubule w cytoplazmie kurczą się, spinając pojedynczą diploidalną komórkę w dwie haploidalne komórki córki. W komórkach roślinnych, błona komórkowa oddzielająca dwie komórki jest zastąpiona przez płytkę komórkową.