🧫

Μείωση και σχηματισμός γαμετών

Τεύχος Α΄ · §4.3 Κυτταρική διαίρεση (μείωση) — ο επιχιασμός δεν εξετάζεται σε ασκήσεις

Γιατί εσύ και τα αδέλφια σου δεν είστε ίδιοι;

Έχετε τους ίδιους γονείς, άρα τα ίδια «υλικά». Κι όμως, εκτός αν είστε μονοζυγωτικά δίδυμα, διαφέρετε σε εμφάνιση, ύψος, ομάδα αίματος. Το μυστικό κρύβεται στον τρόπο που φτιάχνονται οι γαμέτες: τη μείωση, που «ανακατεύει» τα χρωμοσώματα σε κάθε γαμέτη διαφορετικά.

Τι είναι η μείωση

Η μείωση είναι η κυτταρική διαίρεση με την οποία σχηματίζονται οι γαμέτες στους οργανισμούς που αναπαράγονται αμφιγονικά. Ένα διπλοειδές κύτταρο ( $2n$ ) δίνει τέσσερα απλοειδή κύτταρα ( $n$ ), με τα μισά χρωμοσώματα — ένα από κάθε ζεύγος ομολόγων.

Έτσι, κατά τη γονιμοποίηση, η ένωση δύο απλοειδών γαμετών ( $n + n$ ) αποκαθιστά τον διπλοειδή αριθμό ( $2n$ ) στο ζυγωτό, και ο αριθμός των χρωμοσωμάτων μένει σταθερός από γενιά σε γενιά.

Πριν από τη μείωση το DNA αντιγράφεται μία φορά (φάση S), ενώ ακολουθούν δύο διαδοχικές διαιρέσεις: η μείωση Ι και η μείωση ΙΙ.

Μείωση Ι: αποχωρίζονται τα ομόλογα

Πρόφαση Ι: τα ομόλογα χρωμοσώματα συζευγνύονται κατά ζεύγη και σχηματίζουν τετράδες (4 χρωματίδες). Μεταξύ μη αδελφών χρωματίδων ομολόγων μπορεί να γίνει ανταλλαγή τμημάτων, ο επιχιασμός, που δημιουργεί νέους συνδυασμούς αλληλόμορφων.
Μετάφαση Ι: τα ζεύγη ομολόγων διατάσσονται στο ισημερινό επίπεδο. Ο προσανατολισμός κάθε ζεύγους είναι τυχαίος και ανεξάρτητος από τα άλλα.
Ανάφαση Ι: αποχωρίζονται τα ομόλογα χρωμοσώματα (όχι οι αδελφές χρωματίδες).
Τελόφαση Ι: προκύπτουν δύο κύτταρα με $n$ χρωμοσώματα, το καθένα ακόμη με δύο χρωματίδες.

Μείωση ΙΙ: αποχωρίζονται οι αδελφές χρωματίδες

Μοιάζει με μίτωση: στην ανάφαση ΙΙ αποχωρίζονται οι αδελφές χρωματίδες. Τελικά σχηματίζονται 4 απλοειδή κύτταρα. Ανάμεσα στις δύο διαιρέσεις δεν μεσολαβεί αντιγραφή DNA.

Κόλπο μνήμης

Μείωση Ι χωρίζει τα ζευγάρια, μείωση ΙΙ χωρίζει τα δίδυμα. Τα «ζευγάρια» είναι τα ομόλογα χρωμοσώματα (ένα από τον πατέρα, ένα από τη μητέρα)· τα «δίδυμα» είναι οι πανομοιότυπες αδελφές χρωματίδες. Η μείωση ΙΙ μοιάζει με μίτωση — και στις δύο χωρίζουν τα «δίδυμα».

Γρήγορος έλεγχος

Σε ποια φάση αποχωρίζονται τα ομόλογα χρωμοσώματα;

Γενετική ποικιλομορφία των γαμετών

Οι γαμέτες ενός ατόμου είναι γενετικά διαφορετικοί μεταξύ τους για δύο λόγους:

Τυχαίος προσανατολισμός των ζευγών ομολόγων στη μετάφαση Ι: με $n$ ζεύγη ομολόγων είναι δυνατοί $2^n$ διαφορετικοί συνδυασμοί χρωμοσωμάτων στους γαμέτες. Στον άνθρωπο ( $n = 23$ ): $2^{23} \approx 8{,}4$ εκατομμύρια.
Επιχιασμός στην πρόφαση Ι, που δημιουργεί χρωμοσώματα με νέους συνδυασμούς αλληλόμορφων.

Μαζί με την τυχαία γονιμοποίηση, αυτό εξηγεί γιατί τα αδέλφια (εκτός από τα μονοζυγωτικά δίδυμα) διαφέρουν γενετικά.

Σημείωση ύλης: ο επιχιασμός διδάσκεται θεωρητικά, αλλά δεν περιλαμβάνεται σε ασκήσεις.

Ήξερες ότι;

Κάθε γονέας σου μπορεί να δώσει $2^{23} \approx 8{,}4$ εκατομμύρια διαφορετικούς συνδυασμούς χρωμοσωμάτων. Για ένα παιδί, οι δυνατοί συνδυασμοί είναι $2^{23} \cdot 2^{23} = 2^{46} \approx 7 \cdot 10^{13}$ — περίπου 70 τρισεκατομμύρια, χωρίς καν να υπολογίσουμε τον επιχιασμό. Είναι πολύ περισσότεροι από όλους τους ανθρώπους που έχουν ζήσει ποτέ στη Γη.

$\text{Μείωση:} 1 \text{ κύτταρο} (2n) \rightarrow 4 \text{ κύτταρα} (n) \qquad \text{συνδυασμοί χρωμοσωμάτων} = 2^{n}$

Μίτωση και μείωση με μια ματιά

Αριθμός διαιρέσεων: μίτωση 1 — μείωση 2.
Θυγατρικά κύτταρα: μίτωση 2 διπλοειδή — μείωση 4 απλοειδή.
Γενετική σύσταση: μίτωση: όμοια με το μητρικό — μείωση: διαφορετικά μεταξύ τους.
Σύζευξη ομολόγων / τετράδες: μόνο στη μείωση Ι.
Πού γίνεται: μίτωση στα σωματικά κύτταρα — μείωση στα γεννητικά όργανα (σχηματισμός γαμετών).

Μέθοδος: ασκήσεις μείωσης

Γράψε τον $2n$ και το $n$ του οργανισμού.
Μείωση Ι (πρόφαση, μετάφαση): $2n$ χρωμοσώματα, $4n$ μόρια DNA, $n$ τετράδες.
Μετά τη μείωση Ι, κάθε κύτταρο: $n$ χρωμοσώματα με δύο χρωματίδες ( $2n$ μόρια DNA).
Κάθε γαμέτης: $n$ χρωμοσώματα, $n$ μόρια DNA.
Είδη γαμετών ως προς τα χρωμοσώματα: $2^n$ (χωρίς επιχιασμό).

Παράδειγμα 1: Οργανισμός με $2n = 6$ . Πόσα διαφορετικά είδη γαμετών μπορεί να δώσει ως προς τον συνδυασμό των χρωμοσωμάτων (χωρίς επιχιασμό);

Λύση: Έχει $n = 3$ ζεύγη ομολόγων. Κάθε ζεύγος μπορεί να δώσει στον γαμέτη το πατρικό ή το μητρικό του χρωμόσωμα: $2^3 =$ 8 είδη γαμετών.

Παράδειγμα 2: Για τον άνθρωπο ( $2n = 46$ ) συμπλήρωσε: χρωμοσώματα και μόρια DNA (α) σε κύτταρο στη μετάφαση Ι, (β) σε κύτταρο αμέσως μετά τη μείωση Ι, (γ) σε ώριμο γαμέτη.

Λύση:

(α) 46 χρωμοσώματα (23 τετράδες), 92 μόρια DNA.

(β) 23 χρωμοσώματα, το καθένα με δύο αδελφές χρωματίδες: 46 μόρια DNA.

(γ) 23 χρωμοσώματα, 23 μόρια DNA.

Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Να εξηγήσετε γιατί η μείωση είναι απαραίτητη για τη διατήρηση σταθερού αριθμού χρωμοσωμάτων στα είδη που αναπαράγονται αμφιγονικά, και γιατί δύο αδέλφια από τους ίδιους γονείς διαφέρουν γενετικά.

Λύση:

Στη γονιμοποίηση ενώνονται δύο γαμέτες. Αν οι γαμέτες ήταν διπλοειδείς ( $2n$ ), το ζυγωτό θα είχε $4n$ και ο αριθμός θα διπλασιαζόταν σε κάθε γενιά. Η μείωση παράγει απλοειδείς γαμέτες ( $n$ ), ώστε $n + n = 2n$ στο ζυγωτό.
Τα αδέλφια διαφέρουν επειδή: (1) ο τυχαίος προσανατολισμός των ζευγών ομολόγων στη μετάφαση Ι δίνει $2^{23}$ συνδυασμούς χρωμοσωμάτων σε κάθε γονέα, (2) ο επιχιασμός δημιουργεί νέους συνδυασμούς αλληλόμορφων, και (3) η γονιμοποίηση είναι τυχαία (οποιοσδήποτε γαμέτης του πατέρα με οποιονδήποτε της μητέρας).

Γρήγορος έλεγχος

Πόσα μόρια DNA περιέχει ένας ανθρώπινος γαμέτης;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο γεγονός γίνεται μόνο στη μείωση και όχι στη μίτωση;

Πρόκληση

Ένα κύτταρο στη μετάφαση Ι έχει συνολικά 24 χρωματίδες. Δεν γίνεται επιχιασμός.

(α) Ποιος είναι ο $2n$ του οργανισμού; (β) Πόσα είδη γαμετών μπορεί να δώσει ως προς τον συνδυασμό των χρωμοσωμάτων; (γ) Ποια η πιθανότητα ένας γαμέτης να περιέχει μόνο χρωμοσώματα που το άτομο κληρονόμησε από τον πατέρα του; (δ) Πόσα μόρια DNA έχει ένα κύτταρο στη μετάφαση ΙΙ;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Στη μετάφαση Ι κάθε χρωμόσωμα έχει δύο χρωματίδες: $24 / 2 = 12$ χρωμοσώματα, άρα $2n = 12$ και $n = 6$ .

(β) $2^n = 2^6 = 64$ είδη γαμετών.

(γ) Σε κάθε ένα από τα 6 ζεύγη ομολόγων ο γαμέτης παίρνει το πατρικό χρωμόσωμα με πιθανότητα $\frac{1}{2}$ , ανεξάρτητα από τα άλλα ζεύγη (τυχαίος προσανατολισμός στη μετάφαση Ι): $\left(\frac{1}{2}\right)^6 = \frac{1}{64}$ . Λογικό: είναι ένας από τους 64 ισοπίθανους συνδυασμούς.

(δ) Μετά τη μείωση Ι το κύτταρο έχει $n = 6$ χρωμοσώματα, το καθένα ακόμη με δύο αδελφές χρωματίδες: $6 \cdot 2 = 12$ μόρια DNA. Η παγίδα είναι να απαντήσεις 6, ξεχνώντας ότι οι χρωματίδες χωρίζονται μόλις στην ανάφαση ΙΙ.

Συνηθισμένα λάθη

«Στη μείωση ΙΙ γίνεται αντιγραφή DNA.» Η αντιγραφή γίνεται μία φορά, πριν από τη μείωση Ι.
«Μετά τη μείωση Ι τα κύτταρα είναι διπλοειδή, γιατί έχουν 46 χρωματίδες.» Έχουν $n$ χρωμοσώματα, άρα είναι απλοειδή.
Σύγχυση ανάφασης Ι (ομόλογα) με ανάφαση ΙΙ (αδελφές χρωματίδες).
Υπολογισμός γαμετών ως $2n$ αντί για $2^n$ .

Σύνοψη — τι κρατάμε

Μείωση: μία αντιγραφή DNA, δύο διαιρέσεις → 4 απλοειδή κύτταρα από 1 διπλοειδές.
Μείωση Ι: τετράδες, επιχιασμός, αποχωρισμός ομολόγων· μείωση ΙΙ: αποχωρισμός αδελφών χρωματίδων.
Ποικιλομορφία: τυχαίος προσανατολισμός ( $2^n$ συνδυασμοί), επιχιασμός, τυχαία γονιμοποίηση.
Γονιμοποίηση $n + n = 2n$ : σταθερός αριθμός χρωμοσωμάτων στο είδος.
Ο επιχιασμός εξετάζεται μόνο θεωρητικά, όχι σε ασκήσεις.

Τι είναι η μείωση

Η μείωση είναι η κυτταρική διαίρεση με την οποία σχηματίζονται οι γαμέτες στους οργανισμούς που αναπαράγονται αμφιγονικά. Ένα διπλοειδές κύτταρο (

2n

) δίνει τέσσερα απλοειδή κύτταρα (

n

), με τα μισά χρωμοσώματα — ένα από κάθε ζεύγος ομολόγων.

Έτσι, κατά τη γονιμοποίηση, η ένωση δύο απλοειδών γαμετών (

n + n

) αποκαθιστά τον διπλοειδή αριθμό (

2n

) στο ζυγωτό, και ο αριθμός των χρωμοσωμάτων μένει σταθερός από γενιά σε γενιά.