✅Будова статевих клітин – утворення, функції

Статеве розмноження відбувається за допомогою спеціалізованих статевих клітин, або гамет. Вони мають ряд відмінностей від соматичних клітин, серед яких найголовнішим є наявність одинарного числа хромосом. Особливості освіти і будови статевих клітин такі, що дозволяють забезпечувати найважливішу функцію — формування нового організму з унікальною генетичною інформацією.

Загальна характеристика

Статеві клітини, або гамети, необхідні для статевого (генеративного) розмноження. Вони бувають двох видів: жіночі (яйцеклітини) і чоловічі (сперматозоїди).

Чоловічі і жіночі статеві клітини мають гаплоїдний, тобто одинарний набір хромосом. Подібна будова забезпечує генотип організму – сукупність генетичної інформації, закодованої в генах клітини або організму. Він утворюється при злитті чоловічих і жіночих гамет. В результаті половину генетичної інформації організм отримує від матері, а іншу частину — від батька.

Хромосома – мікроскопічне тіло в ядрі біологічної клітини. Вона містить в собі близько 90 % спадкової інформації і відповідає за її зберігання і відтворення. Завдяки своїй здатності до самовідтворення, саме хромосоми забезпечують генетичний зв’язок поколінь.

Будова чоловічої статевої клітини

Чоловічі статеві клітини називаються сперматозоїдами. Вони відрізняються маленькими розмірами і великою рухливістю. Процес утворення чоловічих статевих клітин називається сперматогенезом.

Сперматозоїд складається з трьох частин:

• Головка – майже цілком складається з ядра, покритого тонким шаром цитоплазми. Передня ділянка головки має загострену форму і покритий ковпачком — акросомою. Акросома містить ферменти, які допомагають клітині сперми проникати в зовнішню оболонку яйцеклітини.
• Шийка – звужена, містить в собі мітохондрії і центріоль.
• Хвіст – складається з найтонших волокон, які є органом руху.

Загальний розмір сперматозоїда, включаючи головку, шийку і хвіст, становить близько 50-60 мкм.

Будова жіночої статевої клітини

Яйцеклітина – жіноча статева клітина кулястої форми. Вона крупніше сперматозоїда, і її розмір досягає 150 мкм. Жіночі яйцеклітини є одними з найбільших клітин в організмі. Процес їх утворення називається овогенезом.

Яйцеклітини великі, нерухомі, містять величезний запас поживних речовин в цитоплазмі, який називають жовтком. Він містить білки, жири, вуглеводи, РНК, мінеральні речовини. Поживні речовини знадобляться для розвитку ембріона, якщо відбудеться запліднення — злиття чоловічої та жіночої гамет.

Чоловічі статеві клітини утворюються у величезних кількостях, і протягом життя людини їх дозріває сотні мільйонів. Кількість утворюються яйцеклітин набагато менше-близько 400 гамет за все життя жінки.

Особливості будови статевих клітин можна відобразити в таблиці, яка корисна при підготовці до уроку з біології в 5 класі.

Куляста, овальна. Від 40 мкм (деякі безхребетні) до 22 см (оселедцева акула)

Джгутоподібна. Від 20 мкм (Крокодили) до 12 мм (деякі комахи)

Велика статева клітина, що містить великий запас поживних речовин для розвитку зародка

Маленькі клітини, що складаються з головки, що містить ядро з генетичним матеріалом, шийки і хвоста — органу пересування

Всі жіночі клітини несуть Х-хромосому

Чоловічі клітини 50% несуть Х-хромосому, а 50 % У-хромосому

Яйцеклітина надає зародку всі речовини, необхідні для розвитку

Головна функція – репродуктивна

Що ми дізналися?

Статеві клітини мають унікальну будову і відрізняються від соматичних клітин тим, що несуть в собі закодовану генетичну інформацію. Вони бувають двох видів: чоловічі (сперматозоїди) і жіночі (яйцеклітини). При злитті, статеві клітини утворюють новий організм, який в рівній мірі містить в собі генетичну інформацію матері і батька.

7.6: Статеві хромосоми

При виготовленні сперми шляхом мейозу X і Y хромосоми повинні розділятися в анафазі так само, як це роблять гомологічні аутосоми. Це відбувається без проблем, оскільки, як і гомологічні аутосоми, синапс X і Y хромосоми під час профази мейозу I. Існує невелика область гомології, що поділяється хромосомою X і Y, і синапсис відбувається в цій області. Малюнок 7.6.1 Синапсис X і Y-хромосом люб’язно надано C. Tease Це зображення показує синапсис X і Y хромосом миші під час профази мейозу I. перетин відбувається в двох областях спарювання, званих псевдоаутосомними областями. Вони розташовані на протилежних кінцях хромосоми.

Псевдоаутосомні регіони

Псевдоаутосомні області отримують свою назву, оскільки будь-які гени, розташовані всередині них (поки що знайдено лише 9) успадковуються так само, як і будь-які аутосомні гени. Самці мають дві копії цих генів: один в псевдоаутосомній області їх Y, інший у відповідній частині їх Х-хромосоми. Таким чином, чоловіки можуть успадкувати алель, спочатку присутній на Х-хромосомі свого батька, а жінки можуть успадкувати алель, спочатку присутній на Y-хромосомі свого батька. Малюнок 7.6.2 Y-хромосома людини Гени поза псевдоаутосомних областей Хоча 95% Y-хромосоми лежить між псевдоаутосомними областями, тут знайдено лише 27 різних функціональних генів. Більше половини цієї області становить генетично-безплідний гетерохроматин. З 27 генів, виявлених в еухроматині, деякі кодують білки, використовувані всіма клітинами. Інші кодують білки, які, здається, функціонують лише в яєчках. Ключовим гравцем цієї останньої групи є SRY.

СУХИЙ

1. У дуже рідкісних випадках анеуплоїдні люди народжуються з такими каріотипами, як XXY, XXXY і навіть XXXXY. Незважаючи на їх зайві Х-хромосоми, всі ці випадки чоловічі.
2. На цьому зображенні зображені дві миші з XX каріотипом (і, таким чином, вони повинні бути самками). Однак, як ви, можливо, зможете побачити, вони мають чоловічий фенотип. Це тому, що вони трансгенні для SRY. Запліднені XX яйцеклітини вводили ДНК, що несе ген SRY.

Хоча ці миші мають насінники, чоловічі статеві гормони та нормальну шлюбну поведінку, вони стерильні.

1. Ще одна рідкість: XX людей з тканиною яєчок, оскільки транслокація розмістила ген SRY на одну з Х-хромосом
2. Ще одна рідкість, яка демонструє випадок: жінки з каріотипом XY, які, незважаючи на свою Y-хромосому, є жінками через деструктивну мутацію в SRY.

У 1996 році тест на основі молекулярного зонда для SRY був використаний, щоб гарантувати, що потенційні конкуренти на жіночих олімпійських змаганнях в Атланті не мали гена SRY. Але через такі можливості у випадку 4, це тестування більше не використовується для екранування жінок-олімпійських спортсменок.

Х-хромосома

Х-хромосома несе майже 1000 генів, але мало хто, якщо такі є, мають щось спільне безпосередньо з сексом. Однак успадкування цих генів слідує особливим правилам. Вони виникають через те, що:

• самці мають тільки єдину Х-хромосому
• майже всі гени на X не мають аналога на Y; таким чином
• будь-який ген на Х, навіть якщо рецесивний у самок, буде виражений у самців.

Гени, успадковані таким чином, описуються як пов’язані з сексом або, точніше, Х-зв’язані.

Приклад X-зчеплення

Гемофілія – це порушення згортання крові, викликане мутантним геном, що кодує або

• фактор згортання крові VIII, що викликає гемофілію А або
• фактор згортання крові IX, що викликає гемофілію В.

Обидва гени розташовані на Х-хромосомі (показано тут червоним кольором). Маючи лише одну Х-хромосому, чоловіки, які успадковують дефектний ген (завжди від матері), не зможуть виробляти фактор згортання крові та страждають від важко контрольованих епізодів кровотечі. У гетерозиготних самок немутована копія гена забезпечить весь необхідний їм фактор згортання. Гетерозиготних самок називають «носіями», оскільки, хоча вони не проявляють симптомів, вони передають ген приблизно половині своїх синів, які розвивають хворобу, і половині своїх дочок, які також стають носіями.

Жінки рідко страждають гемофілією, оскільки для цього їм доведеться успадкувати дефектний ген від батька, а також матері. До недавнього часу мало хто з гемофілій коли-небудь ставав батьками.

Інактивація Х-хромосом (XCI)

Самки людини успадковують дві копії кожного гена на Х-хромосомі, тоді як самці успадковують лише одну (за деякими винятками: 9 псевдоаутосомних генів і невелика кількість генів «домашнього господарства», знайдених на Y). Але для сотень інших генів на X, чи є чоловіки в невигідному становищі за кількістю генного продукту, який виробляють їх клітини? Відповідь – ні, тому що самки мають тільки одну активну Х-хромосому в кожній клітині.

Під час інтерфази хромосоми занадто слабкі, щоб їх можна було пофарбувати і бачити за допомогою світлової мікроскопії. Однак щільна, плямиста структура, звана тілом Барра (на честь його першовідкривача), помічена в міжфазних ядрах ссавців самок. Тіло Барра – одна з Х-хромосом. Його компактний зовнішній вигляд відображає його бездіяльність. Так, клітини самок мають лише одну функціонуючу копію кожного Х-зчепленого гена — таку ж, як і самці.

Малюнок 7.6.4 Генетична мозаїка внаслідок інактивації Х-хромосом

Інактивація Х-хромосом відбувається на початку ембріонального розвитку. У даній клітині, яка з Х-хромосом жінки стає інактивованою і перетворюється в тіло Барра, є справою випадковості (за винятком сумчастих, таких як кенгуру, де завжди інактивована Х-хромосома батька). Після того, як сталася інактивація, всі нащадки цієї клітини матимуть однакову хромосому інактивацію. Таким чином, інактивація Х-хромосом створює клони з різним ефективним вмістом генів. Організм, клітини якого змінюються за ефективним вмістом генів і, отже, у вираженні ознаки, називається генетичною мозаїкою.

Механізм інактивації Х-хромосом

Для інактивації Х-хромосоми потрібен ген цієї хромосоми, який називається XIST.

• XIST транскрибується в довгу некодуючу РНК.
• XIST РНК накопичується вздовж X-хромосоми, що містить активний ген XIST, і продовжує інактивувати всі (або майже всі) з сотень інших генів цієї хромосоми.
• Тіла Барра – неактивні Х-хромосоми, «пофарбовані» XIST РНК.

Послідовність подій у мишах

• Під час перших клітинних поділів жіночої мишачої зиготи XIST локус на Х-хромосомі батька виражений, тому більшість його Х-зв’язаних генів мовчать.
• До того часу, коли бластоциста сформувалася, глушіння батьківської Х-хромосоми все ще триває в трофобласті (який буде продовжувати формувати плаценту), але
• у внутрішній клітинній масі (ICM, який буде продовжувати формувати ембріон) транскрипція XISTприпиняється на батьківській Х-хромосомі, що дозволяє виражати її сотні інших генів. Вимкнення локусу XIST здійснюється шляхом метилювання регуляторних послідовностей XIST. Отже, плюрипотентні стовбурові клітини ICM експресують обидві Х-хромосоми.
• Однак у міру протікання ембріонального розвитку знову починається інактивація Х-хромосом. Але на цей раз це абсолютно випадково. Немає прогнозування, чи буде це материнський X або батьківський X, який інактивується в даній клітині.

Деякі гени на Х-хромосомі уникнути інактивації

А як щодо тих 18 генів, які знаходяться на Y, а також X? Для жінок не повинно бути необхідності інактивувати одну копію цих, щоб тримати в рівновазі з ситуацією у чоловіків. І, як з’ясовується, ці гени уникають інактивації у самок. Просто те, як їм це вдається, все ще знаходиться під слідством.

Аномалії Х-хромосоми

Як ми бачили вище, іноді зустрічаються люди з аномальними числами Х-хромосом. На відміну від більшості випадків анеуплоїдії, які є летальними, фенотипічні ефекти анеуплоїдії Х-хромосоми зазвичай не є важкими.

• Самки з лише єдиною неушкодженою Х-хромосомою (зазвичай та, яку вона отримала від матері) у деяких (таким чином, генетична мозаїка) або у всіх її клітипах демонструють змінне сузір’я фенотипічних рис, що називається синдромом Тернера. Для тих дівчат, які доживають до народження, фенотипічні ефекти, як правило, м’які, оскільки кожна клітина має єдину функціонуючу Х-хромосому, як у жінок XX. Кількість тіл Barr = нуль.
• XXX, XXXX, XXXXX каріотипи: всі жінки з м’якими фенотипічними ефектами, оскільки в кожній клітині всі зайві Х-хромосоми інактивуються. Кількість тіл Барра = кількість Х-хромосом мінус один.
• Синдром Клайнфельтера: люди з XXY або XXXY каріотипами – чоловіки (через їх Y-хромосому). Але знову ж таки, фенотипічні ефекти зайвих Х-хромосом м’які, оскільки, як і у жінок, зайві Xs інактивуються і перетворюються в тіла Барра.

Визначення статі у інших тварин

Хоча самець плодової мухи, Drosophila melanogaster, є X-Y, Y-хромосома не диктує свою чоловічість, а скоріше відсутність другого X. Крім того, замість того, щоб самки закривали один X, щоб збалансувати один X самців – як ми це робимо – чоловічі мухи подвоюють вихід свого єдиного X щодо того, що у самок.

У птахів, метеликів, шистосом і деяких ящірок самець має дві однакові хромосоми (позначені ZZ), тоді як самка має «гетерогаметичні» хромосоми (позначаються Z і W). У курей єдиний ген на Z-хромосомі (позначений DMRT1), коли він присутній у подвійній дозі (ZZ), виробляє самців, тоді як наявність лише однієї копії гена виробляє самки (ZW).

Екологічне визначення статі

У деяких холоднокровних хребетних, таких як

• риби
• рептилії (наприклад, деякі змії, ящірки, черепахи та всі крокодили та алігатори)
• безхребетні (наприклад, деякі ракоподібні),

стать визначається після запліднення — не статевими хромосомами, що відкладаються в яйцеклітині.

Вибір зазвичай визначається температурою, при якій відбувається ранній ембріональний розвиток.

• У деяких випадках (наприклад, багато черепах та ящірок) більш висока температура під час інкубації сприяє виробленню самок.
• В інших випадках (наприклад, алігатори) більш висока температура сприяє виробленню самців.

Навіть у випадках (наприклад, деяких ящірок), де є статеві хромосоми, висока температура може перетворити генотипічного самця (ZZ) у самку.

Гермафродити

Гермафродити мають як чоловічі, так і жіночі статеві органи. Багато видів риб є гермафродитними.

Деякі починають як один стать, а потім, у відповідь на подразники в їх оточенні, переходять на інший.

Інші види мають одночасно і насінники, і зав’язі (але рідко запліднюються). Однак популяції C. elegans складаються здебільшого з гермафродитів, і вони лише запліднюють себе.

Гермафродитні риби не мають статевих хромосом.

Як хромосоми визначають стать

Хромосоми — це довгі сегменти генів , які несуть спадкову інформацію. Вони складаються з ДНК і білків і знаходяться в ядрі наших клітин. Хромосоми визначають усе: від кольору волосся та очей до статі. Чоловік ви чи жінка залежить від наявності чи відсутності певних хромосом. Клітини людини містять 23 пари хромосом із загальною кількістю 46. Існує 22 пари аутосом (нестатевих хромосом) і одна пара статевих хромосом. Статевими хромосомами є X-хромосома і Y-хромосома .

Статеві хромосоми

Під час статевого розмноження людини дві різні гамети зливаються, утворюючи зиготу. Гамети — це репродуктивні клітини, що утворюються в результаті поділу клітин, що називається мейозом . Гамети ще називають статевими клітинами. Вони містять лише один набір хромосом і тому називаються гаплоїдними .
Чоловіча гамета, яка називається сперматозоїдом, відносно рухлива і зазвичай має джгутик . Жіноча гамета, яка називається яйцеклітиною, є нерухомою та відносно великою порівняно з чоловічою гаметою. Коли гаплоїдні чоловічі та жіночі гамети об’єднуються в процесі, який називається заплідненням, вони розвиваються у те, що називається зиготою. Зигота є диплоїдною , що означає, що вона містить два набори хромосом.

Статеві хромосоми XY

Чоловічі гамети, або сперматозоїди, у людини та інших ссавців є гетерогаметними і містять один із двох типів статевих хромосом. Сперматозоїди несуть статеву хромосому X або Y. Жіночі статеві клітини або яйцеклітини, однак, містять лише Х статеву хромосому і є гомогаметними. У цьому випадку сперматозоїд визначає стать особини. Якщо сперматозоїд, що містить Х-хромосому, запліднить яйцеклітину, отримана зигота буде XX, або жіночою. Якщо сперматозоїд містить Y-хромосому, то отримана зигота буде XY, або чоловічою. Y-хромосоми несуть необхідні гени для розвитку чоловічих статевих залоз або яєчок. У особин, які не мають Y-хромосоми (XO або XX), розвиваються жіночі статеві залози або яєчники. Для повноцінного розвитку яєчників необхідні дві Х-хромосоми.

Гени, розташовані в Х-хромосомі, називаються Х-зчепленими генами, і ці гени визначають ознаки Х, зчеплені зі статтю . Мутація в одному з цих генів може призвести до розвитку зміненої ознаки. Оскільки чоловіки мають лише одну Х-хромосому, змінена ознака завжди буде виражена у чоловіків. У самок, однак, ознака не завжди може бути виражена. Оскільки жінки мають дві Х-хромосоми, змінена ознака може бути замаскована, якщо лише одна Х-хромосома має мутацію, а ознака є рецесивною. Прикладом Х-зчепленого гена є червоно-зелений дальтонізм у людей.

Статеві хромосоми XO

Схожа система визначення статі особини у коників, плотви та інших комах. Дорослі чоловіки не мають статевої хромосоми Y, яка є у людей, і мають лише Х-хромосому. Вони виробляють сперматозоїди, які містять або Х-хромосому, або не містять статевої хромосоми, яка позначається як О. Самки мають XX і виробляють яйцеклітини, які містять Х-хромосому. Якщо сперматозоїд X запліднить яйцеклітину, отримана зигота буде XX, або жіночою. Якщо сперматозоїд, що не містить статевої хромосоми, запліднить яйцеклітину, отримана зигота буде XO, або чоловічою.

Статеві хромосоми ZW

Птахи, деякі комахи, наприклад метелики, жаби , змії та деякі види риб мають іншу систему визначення статі. У цих тварин саме жіноча статева клітина визначає стать особини. Жіночі гамети можуть містити або Z-хромосому, або W-хромосому. Чоловічі гамети містять лише Z-хромосому. Самки цих видів – ZW, а самці – ZZ.

Партеногенез

А як щодо тварин, таких як більшість видів ос, бджіл і мурах, які не мають статевих хромосом? У цих видів запліднення визначає стать. Якщо яйцеклітина запліднюється, з неї розвивається самка. Незапліднена яйцеклітина може розвинутися в самця. Самка диплоїдна і містить два набори хромосом, а самець гаплоїдний. Такий розвиток незаплідненої яйцеклітини в самця і заплідненої яйцеклітини в самку є типом партеногенезу , відомого як аренотоковий партеногенез.

Визначення статі в середовищі

У черепах і крокодилів стать визначається температурою навколишнього середовища в певний період розвитку заплідненої яйцеклітини. Яйця, інкубовані вище певної температури, розвиваються в одну стать, тоді як яйця, інкубовані нижче певної температури, розвиваються в іншу стать. Як самці, так і самки розвиваються, коли яйця інкубуються при температурах, які коливаються між тими, що викликають лише одностатевий розвиток.