Задачі на набір хромосом і кількість ДНК у мітозі та мейозі

У задачах на набір хромосом і кількість ДНК використовують дві ключові позначки — n і c. Їхнє розуміння — основа для правильного розв’язання всіх завдань НМТ на цю тему.

Визначення n і c

n — це гаплоїдний набір хромосом, тобто кількість хромосом у гаметі (статевій клітині). Наприклад, у людини в сперматозоїді чи яйцеклітині 23 хромосоми, отже n = 23. У соматичній (нестатевій) клітині набір диплоїдний — 2n, тобто 46 хромосом.

c — це кількість ДНК в одному гаплоїдному наборі однохроматидних хромосом. Іншими словами, c — це вміст ДНК, який відповідає одному гаплоїдному набору хромосом, де кожна хромосома має лише одну хроматиду. Якщо хромосоми двохроматидні, то ДНК удвічі більше, і ми пишемо 2c.

Формула 2n4c означає: диплоїдний набір хромосом (2n), кожна з яких має дві хроматиди, тому кількість ДНК — 4c (удвічі більше за базовий гаплоїдний однохроматидний набір).

Правила підрахунку

• Кількість хромосом = кількість центромер. Центромера — це ділянка хромосоми, яка утримує хроматиди разом. Скільки центромер — стільки хромосом.

• Хромосома може мати одну хроматиду (однохроматидна) або дві хроматиди (двохроматидна).

• Кожна хроматида — це одна молекула ДНК. Тому кількість молекул ДНК = кількість хроматид.

• До анафази сестринські хроматиди належать одній хромосомі й утримуються спільною центромерою. Наприклад, у метафазі мітозу клітина людини має 46 хромосом, 92 хроматиди й 92 молекули ДНК.

• Окремими хромосомами хроматиди стають лише після поділу центромер в анафазі.

Як переводити формули в числа

Спершу визнач n з умови. Якщо сказано «соматична клітина має 2n = 46», то n = 23. Якщо сказано «у гаметах собаки 39 хромосом», то n = 39, а 2n = 78.

Потім підстав n у формулу стадії:

• 2n4c у людини: 2 · 23 = 46 хромосом і 4 · 23 = 92 молекули ДНК.

• nc у людини: 23 хромосоми і 23 молекули ДНК.

• n2c у людини: 23 хромосоми і 2 · 23 = 46 молекул ДНК.

Важливо: читай питання уважно. Кількість у клітині, в ядрі чи біля одного полюса — не те саме. В анафазі клітина ще одна, а біля кожного полюса — половина її хромосом. Якщо питають «біля одного полюса в анафазі мітозу», то це 2n2c, а не 4n4c.

Клітинний цикл складається з інтерфази (G₁, S, G₂) і власне поділу — мітозу. На кожній стадії набір хромосом (n) і кількість ДНК (c) змінюються передбачувано. Розгляньмо їх послідовно.

Інтерфаза

G₁-період (пресинтетичний): клітина росте, виконує свої функції. Хромосоми однохроматидні, набір диплоїдний. Формула — 2n2c. Для людини це 46 хромосом і 46 молекул ДНК.

S-період (синтетичний): відбувається реплікація ДНК. Кожна хромосома подвоює свою ДНК, тому після S-періоду кожна хромосома має дві хроматиди. Формула змінюється: 2n2c → 2n4c. Кількість хромосом не змінилася, а кількість молекул ДНК подвоїлася.

G₂-період (постсинтетичний): клітина готується до поділу, синтезує білки веретена поділу. Формула — 2n4c. Для людини: 46 хромосом, 92 молекули ДНК.

Мітоз

Профаза: хромосоми спіралізуються, ядерна оболонка руйнується. Формула — 2n4c. Хромосом стільки ж, скільки в G₁, але кожна з двох хроматид.

Метафаза: хромосоми вишиковуються на екваторі клітини. Формула — 2n4c. Для людини: 46 хромосом, 92 хроматиди, 92 молекули ДНК.

Анафаза: центромери діляться, сестринські хроматиди розходяться до полюсів. Тепер кожна колишня хроматида стає окремою хромосомою. У клітині — 4n4c (92 хромосоми і 92 молекули ДНК для людини). Біля кожного полюса — 2n2c (46 хромосом і 46 молекул ДНК).

Телофаза: хромосоми деспіралізуються, утворюються два ядра. До цитокінезу в клітині ще 4n4c, але кожне ядро має 2n2c. Після цитокінезу утворюються дві дочірні клітини, кожна з яких повертається до формули 2n2c — такої самої, як материнська клітина в G₁.

Таблиця змін у мітозі (людина, 2n = 46)

Головні висновки

• Кількість ДНК подвоюється в S-періоді (2n2c → 2n4c).

• Після поділу кожна дочірня клітина отримує половину ДНК материнської клітини, але в усій анафазній клітині ДНК не меншає — вона просто розподіляється між двома майбутніми клітинами.

• Кількість хромосом тимчасово подвоюється лише в анафазі (2n4c → 4n4c), коли центромери діляться.

Мейоз — це два послідовні поділи, у результаті яких з однієї диплоїдної клітини утворюються чотири гаплоїдні. Щоб правильно визначати n і c у мейозі, треба пам’ятати: між першим і другим поділами реплікації ДНК не відбувається.

Інтерфаза перед мейозом

Перед мейозом клітина проходить інтерфазу. У G₁-періоді формула — 2n2c. Після S-періоду (реплікації ДНК) формула стає 2n4c. Далі клітина вступає в мейоз I.

Мейоз I — редукційний поділ

Профаза I: хромосоми кон’югують, утворюючи біваленти. Кількість бівалентів дорівнює n. Формула клітини — 2n4c. Для людини (2n = 46): 46 хромосом (23 біваленти), 92 молекули ДНК.

Метафаза I: біваленти вишиковуються на екваторі. Формула — 2n4c. Кількість хромосом і ДНК та сама, що й у профазі I.

Анафаза I: гомологічні хромосоми (кожна з двох хроматид) розходяться до полюсів. Центромери не діляться! Формула всієї клітини — 2n4c, але до кожного полюса відходить n2c.

Телофаза I: утворюються два ядра. Біля кожного полюса або в кожному новому ядрі — n2c. В усій клітині до цитокінезу — 2n4c. Після цитокінезу кожна дочірня клітина має n2c — набір уже гаплоїдний, але хромосоми двохроматидні.

Мейоз II — екваційний поділ

Профаза II і метафаза II: формула — n2c. Хромосом удвічі менше, ніж у метафазі I, але кожна ще двохроматидна. Для людини: 23 хромосоми, 46 молекул ДНК.

Анафаза II: центромери діляться, хроматиди розходяться до полюсів. У клітині — 2n2c (до кожного полюса — nc). Для людини: 46 хромосом, 46 молекул ДНК.

Телофаза II: утворюються чотири ядра. Кожне нове ядро — nc. В усій клітині до цитокінезу — 2n2c. Після цитокінезу кожна з чотирьох клітин має nc.

Приклад: 2n = 24

Головне про мейоз

• Кількість хромосом на дочірню клітину зменшується вдвічі після першого поділу (2n → n).

• Кількість ДНК на дочірню клітину зменшується після кожного поділу: 4c → 2c (після мейозу I) → 1c (після мейозу II).

• Між мейозом I і мейозом II реплікації ДНК немає.

Гаметогенез — це процес утворення статевих клітин (гамет). У сперматогенезі (утворенні сперматозоїдів) та оогенезі (утворенні яйцеклітин) формули n і c змінюються за тими самими правилами, що й у мітозі та мейозі. Розгляньмо їх окремо.

Сперматогенез

Сперматогонії — це стовбурові клітини, які діляться мітозом. У G₁-періоді вони мають формулу 2n2c. Після S-періоду перед мітозом — 2n4c. Після мітозу дочірні сперматогонії знову 2n2c.

Сперматоцит I порядку — це клітина, яка вступає в мейоз. Вона вже пройшла реплікацію ДНК, тому її формула — 2n4c.

Сперматоцити II порядку утворюються після першого поділу мейозу. Їхня формула — n2c. Набір хромосом уже гаплоїдний, але кожна хромосома ще двохроматидна.

Сперматиди утворюються після другого поділу мейозу. Їхня формула — nc. На стадії формування сперматиди перетворюються на сперматозоїди, які також мають nc.

Оогенез

Оогонії у G₁-періоді — 2n2c. Після S-періоду перед мітозом — 2n4c.

Ооцит I порядку — клітина, яка вступає в мейоз. Формула — 2n4c.

Ооцит II порядку й перше полярне тільце утворюються після мейозу I. Їхня формула — n2c.

Яйцеклітина й друге полярне тільце утворюються після мейозу II. Їхня формула — nc.

Стадії й будову гамет детально пояснює урок «Гаметогенез: сперматогенез і оогенез». Тут ми зосереджуємось лише на формулах n і c.

Зигота після запліднення

Після запліднення зливаються дві гаплоїдні гамети: nc + nc = 2n2c. Перед першим поділом дроблення зигота реплікує ДНК і стає 2n4c.

Приклади

• У сперматоциті II порядку людини (n2c): 23 хромосоми й 46 молекул ДНК.

• У сперматиді людини (nc): 23 хромосоми й 23 молекули ДНК.

• У соматичній клітині миші (2n = 40) у G₂-періоді (2n4c): 40 хромосом і 80 молекул ДНК.

• В ооциті I порядку людини (2n4c): 46 хромосом і 92 молекули ДНК.

• В ооциті II порядку людини (n2c): 23 хромосоми й 46 молекул ДНК.

Зведена таблиця гаметогенезу

Розв’яжемо п’ять типових завдань НМТ на визначення n і c. Кожне — у форматі вибору однієї відповіді з чотирьох.

Приклад 1. Метафаза I мейозу та сперматида

У соматичній клітині 2n = 24. Визнач кількість хромосом і молекул ДНК у клітині в метафазі I мейозу та в сперматиді.

Розв’язання:

• Метафаза I мейозу: формула 2n4c. n = 12 (бо 2n = 24). Отже, хромосом: 2 · 12 = 24; молекул ДНК: 4 · 12 = 48.

• Сперматида: формула nc. Хромосом: 12; молекул ДНК: 12.

Відповідь: 24 і 48; 12 і 12.

Чому інші варіанти неправильні:

• 48 і 48; 12 і 12 — хроматиди порахували як хромосоми в метафазі I.

• 12 і 24; 12 і 12 — редукцію (зменшення числа хромосом) віднесли до метафази I, хоча вона відбувається лише в анафазі I.

• 24 і 24; 12 і 12 — забули про реплікацію ДНК у S-періоді перед мейозом.

Приклад 2. Анафаза мітозу в людини

Скільки хромосом і молекул ДНК у клітині людини в анафазі мітозу?

Розв’язання: у людини 2n = 46. В анафазі мітозу центромери діляться, хроматиди стають окремими хромосомами. Формула всієї клітини — 4n4c. Отже, хромосом: 4 · 23 = 92; молекул ДНК: 4 · 23 = 92.

Відповідь: 92 і 92.

Чому інші варіанти неправильні:

• 46 і 92 — не врахували поділу центромер, тому хромосом записали 46 (як у метафазі), хоча ДНК порахували правильно.

• 46 і 46 — забули і про реплікацію, і про поділ центромер.

• 92 і 184 — подвоїли ДНК двічі, хоча в анафазі кількість ДНК дорівнює кількості хромосом.

Приклад 3. Яка клітина має набір n2c?

Яка з перелічених клітин має набір n2c?

Розв’язання: n2c — це гаплоїдний набір хромосом, кожна з яких двохроматидна. Такий набір мають клітини після першого поділу мейозу, зокрема в метафазі II мейозу.

Відповідь: клітина в метафазі II мейозу.

Чому інші варіанти неправильні:

• Клітина в метафазі I мейозу — має 2n4c (диплоїдний набір двохроматидних хромосом).

• Клітина в G₂-періоді перед мітозом — має 2n4c.

• Сперматида — має nc (гаплоїдний набір однохроматидних хромосом).

Приклад 4. Ооцит II порядку миші

В ооциті II порядку миші 20 хромосом. Скільки молекул ДНК у соматичній клітині миші в G₂-періоді?

Розв’язання: ооцит II порядку має формулу n2c. Якщо хромосом 20, то n = 20, а 2n = 40. Соматична клітина в G₂-періоді має формулу 2n4c. Отже, молекул ДНК: 4 · 20 = 80.

Відповідь: 80.

Чому інші варіанти неправильні:

• 40 — це значення для G₁-періоду (2n2c), а не для G₂.

• 20 — узяли n замість 2n4c.

• 160 — подвоїли двічі (можливо, порахували 4 · 40 замість 4 · 20).

Приклад 5. Два твердження

Оціни правильність тверджень:

• I. У профазі мітозу хромосом удвічі більше, ніж у G₁-періоді, бо кожна має дві хроматиди.

• II. Після першого поділу мейозу набір хромосом гаплоїдний, хоча кожна хромосома ще має дві хроматиди.

Розв’язання:

• Твердження I — неправильне. У профазі мітозу (2n4c) хромосом стільки ж, скільки в G₁ (2n2c). Кожна хромосома справді має дві хроматиди, але це не збільшує кількість хромосом — вона визначається кількістю центромер.

• Твердження II — правильне. Після мейозу I кожна дочірня клітина має n2c: набір гаплоїдний (n), але кожна хромосома двохроматидна (2c).

Відповідь: правильне лише II.

• Рахують хроматиди як окремі хромосоми до анафази. У профазі й метафазі хромосом стільки ж, скільки в G₁. Хоча кожна хромосома має дві хроматиди, центромера одна — тому це одна хромосома.

• Забувають про реплікацію в S-періоді й пишуть для метафази 2n2c замість 2n4c. Пам’ятай: після S-періоду ДНК подвоюється, тому в метафазі мітозу клітина має 2n4c.

• Вважають, що кількість хромосом зменшується вже в метафазі I мейозу. Насправді редукція (зменшення числа хромосом) відбувається лише в анафазі I, коли гомологічні хромосоми розходяться до різних полюсів.

• Забувають, що в анафазі мітозу (4n4c) та в анафазі II мейозу (2n2c) кількість хромосом у клітині тимчасово подвоюється. Після цитокінезу вона повертається до норми.

• Плутають n і c, переводячи формулу в числа. Наприклад, 2n4c у людини — це 46 хромосом і 92 молекули ДНК, а не 92 хромосоми. n — це кількість хромосом, c — кількість ДНК.

• Плутають сперматоцит II порядку (n2c) зі сперматидою (nc) або ооцит I порядку (2n4c) з ооцитом II порядку (n2c). Сперматоцит II порядку — після першого поділу мейозу, хромосоми ще двохроматидні. Сперматида — після другого поділу, хромосоми однохроматидні.

Тема «Клітинний цикл, інтерфаза й поділ, кількість молекул ДНК і хромосом на різних стадіях» належить до теми 1.5 програми НМТ з біології. Від тебе вимагають аналізувати етапи клітинного циклу, фази мітозу й мейозу, а також етапи утворення статевих клітин.

Форма завдання — вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г), завдання 1–24, 0 або 1 бал. Розгорнутих відповідей немає, тому варіанти можуть містити пари чисел «хромосоми / молекули ДНК».

Довідкових матеріалів на тестуванні немає. Кількість хромосом виду дають в умові завдання, а формули стадій треба знати напам’ять. У демоваріанті 2026 року тема 1.5 є основною в завданні № 6 (за рисунком).

Стратегія розв’язання

• Спершу запиши формулу стадії (наприклад, 2n4c для метафази мітозу).

• Потім підстав n з умови в цю формулу.

• Перевір, про що саме питають — про клітину, ядро чи полюс, про хромосоми, хроматиди чи молекули ДНК.

• Якщо в умові дано кількість хромосом у гаметі, то це n; якщо в соматичній клітині — то це 2n.

• Кількість хромосом = кількість центромер; кількість молекул ДНК = кількість хроматид.

• Мітоз: G₁ 2n2c → S → 2n4c (G₂, профаза, метафаза) → анафаза 4n4c → дочірні клітини 2n2c.

• Мейоз: метафаза I 2n4c → після мейозу I n2c → анафаза II 2n2c → гамети nc.

• На дочірню клітину: число хромосом зменшується після першого поділу мейозу, кількість ДНК — після кожного поділу.

• Гаметогенез: 2n2c → 2n4c (клітини I порядку) → n2c (II порядку) → nc (сперматиди, яйцеклітина).

• Спершу формула стадії — потім підстановка числа з умови.