Размножение и индивидуальное развитие организмов.

31. Клетка - генетическая единица живого.

Клетка является генетической единицей живого, обладающей минимальным набором компонентов для сохранения, изменения и реализации наследственной информации, а также её передачи потомкам.

Нуклеиновые кислоты являются носителем генетической информации, однако реализация этой информации невозможна вне клетки. Это легко доказывается на примере вирусов, которые не могут самостоятельно воспроизводиться, и используют для этого наследственный аппарат клетки.

• Хромосома (от греч. χρωμα — цвет, окраска и σωμα — тело) — это структура клеточного ядра, которая содержит гены и несёт определённую наследственную информацию о признаках и свойствах организма.

Хроматин — совокупность хромосом в неделящемся ядре.

Основой хромосомы является двухцепочечная молекула ДНК, упакованная с белками. У эукариот с ДНК взаимодействуют гистоновые и негистоновые белки, а у прокариот гистоновых белков нет. По форме различают равноплечие, неравноплечие (рис. 2) и палочковидные хромосомы. Средняя хромосома имеет размеры 5 х 1,4 мкм.

Рис. 2. Строение хромосомы:

1 — центромера; 2 — плечи; 3 — вторичная перетяжка; 4 — спутник; 5 — теломеры

• Соматические клетки — это все клетки тела многоклеточных организмов, образующиеся в результате митотического деления.

Для соматических клеток организма каждого биологического вида характерно постоянное число хромосом. Например, у человека их 46. Набор хромосом соматических клеток называют диплоидным.

• Половые клетки, или гаметы — это специализированные клетки, служащие для полового размножения.

В гаметах содержится вдвое меньше хромосом, чем в соматических клетках (у человека — 23). Набор хромосом половых клеток называется гаплоидным (n). Его образование связано с мейотическим делением клетки.

Хромосомы и кариотип человека

У человека 22 пары аутосом, которые одинаковы у мужчин и женщин, и одна пара половых хромосом (гетерохромосом), определяющих пол особи. Существует два вида половых хромосом — X и Y. Клетки тела женщины несут по две Х-хромосомы, а мужчин — X и Y.

• Кариотип — это совокупность признаков хромосомного набора организма (число хромосом, их форма и величина). Условная запись кариотипа включает общее количество хромосом, половые хромосомы и возможные отклонения в наборе хромосом.

Кариотип нормального мужчины — 46, XY, кариотип нормальной женщины — 46, XX.

Жизненный цикл клетки (интерфаза)

• Промежуток времени от появления клетки в результате деления до её разделения или гибели называется жизненным циклом клетки.

У эукариотических клеток жизненный цикл делится на две основные стадии: интерфазу и митоз.

Интерфаза — это промежуток времени в жизненном цикле, в который клетка не делится и нормально функционирует. Интерфаза делится на три периода: G₁, S- и G₂-периоды.

• G₁-период (постмитотический). Активный синтез РНК, белков и других веществ, необходимых для полного жизнеобеспечения вновь образовавшейся клетки.

• S-период (синтетический). Процесс репликацииДНК кроме участка центромеры: образуются две дочерние хромосомы — хроматиды, скреплённые в центромере.

• G₂-период (премитотический). Интенсивный синтез РНК, белков и АТФ, необходимых для процесса деления клетки, деление центриолей, митохондрий и пластид.

32. Соматические и половые клетки

Соматическими называют клетки, составляющие тело (сому) многоклеточных организмов и не принимающие участия в половом размножении. Входя в состав разнообразных тканей тела, соматические клетки каждой ткани обладают специфическими структурными, метаболическими и химическими особенностями, которые приобретаются в процессе дифференцировки.

Гамета (gamete): зародышевая клетка (спермий или яйцеклетка), содержащая гаплоидный набор хромосом, то есть имеющая по одному экземпляру каждой из хромосом.

При половом способе размножения потомство, как правило, имеет двух родителей. Каждый из родителей производит половые клетки. Половые клетки, или гаметы, обладают половинным или гаплоидным набором хромосом и возникают в результате мейоза. Таким образом, гамета (от греч. gamete - жена, gametes - муж) - зрелая репродуктивная клетка, содержащая гаплоидный набор хромосом и способная при слиянии с аналогичной клеткой противоположного пола образовать зиготу, при этом число хромосом становится диплоидным. В диплоидном наборе каждая хромосома имеет себе парную (гомологичную) хромосому. Одна из гомологичных хромосом происходит от отца, другая - от матери. Женская гамета называется яйцеклеткой, мужская - сперматозоидом. Процесс образования гамет носит общее название - гаметогенез.

Сходство соматических и половых клеток:

1. Соматические и половые клетки имеют общее происхождение, так как образуются из генетически одинаковых эмбриональных клеток, которые содержат всю генетическую информацию, необходимую для образования клеток различных типов в ходе развития организма.

2. У соматических клеток возникают все виды мутаций, (в т. ч. под действием различных излучений) характерные и для половых клеток.

3. Частоты мутирования в половых и соматических клетках существенно не различаются.

Половые клетки (гаметы) - это высокоспециализированные клетки для процесса полового размножения. Их отличия от соматических клеток:

Сперматозоиды и яйцеклетки имеют не диплоидный набор хромосом, как это свойственно соматическим клеткам, а гаплоидный, т. е. в два раза уменьшенное число хромосом. Так, соматические клетки пчелы имеют 32 хромосомы, а сформированные половые клетки—16. Соматические клетки человека имеют 46 хромосом, а сперматозоиды и яйца — 23.

У половых клеток резко измененное по сравнению с соматическими ядерно-плазменное отношение. Это очевидно на примере яиц птиц. Собственно, яйцом, яйцеклеткой птицы, считается только «желток». Объем желтка яиц птиц в миллионы раз превышает объем клетки, исходной в его развитии. Объем же ядра столь резко не изменяется. И если из массы цитоплазмы яйца птицы исключить вещества, которые как бы включены в нее. «про запас», для развития зародыша (желточные включения), и говорить о «чистой цитоплазме» (что не совсем правильно), все равно очевидно, что масса яйца сильно возрастает в объеме.

размеры

приспособленность к движению (сперматозоиды) и запасу питательных веществ для зародыша (яйцеклетка),

стадии формирования (сперматогенез и овогенез),

почти полное отсутствие цитоплазмы, компактная укладка генетического материала в ядре, наличие акросомы ( видоизменённый аппарат Гольджи), большое количество митохондрий, шейка и хвост - наибольшая разница - в строении сперматозоидов, т.к. они выполняют функцию с выходом во внешнюю среду.

Яйцеклетки сходны органелами с соматическими клетками, но имеют большой запас питательных веществ и дополнительные оболочки

33. Хромосомы: аутосомы и половые.

1. Наличие в клетках аутосом — парных хромосом, одинаковых для мужского и женского организмов, и половых хромосом, определяющих пол организма.

2. Наборы хромосом: наличие в клетках тела человека 44 аутосом (различий в строении аутосом в мужском и женском организмах нет) и двух половых хромосом, одинаковых у женщин (XX) и разных у мужчин (XY). Особенности набора хромосом в половых клетках: 22 аутосомы и 1 половая хромосома (у мужчин: 22А + X и 22А + У, у женщин — 22А + X).

3. Зависимость формирования пола организма от сочетания половых хромосом при оплодотворении. Одинаковая вероятность объединения в зиготе как двух Х-хромосом, так и XY. Формирование из зиготы с ХХ-хромосомами девочки, а с ХУ — мальчика (у птиц и пресмыкающихся сочетание ХУ определяет женский пол).

4. Наследование, сцепленное с полом. Наличие в половых хромосомах генов, отвечающих за формирование неполовых признаков. Например, рецессивный ген гемофилии (несвертываемости крови) — h, локализованный в двух Х-хромосомах, — причина заболевания женщины. Наибольшая вероятность заболевания гемофилией мужчины из-за наличия всего одной Х-хромосомы в его клетках.

34. Гомологичные и негомологичные хромосомы.

Итак, существуют гомологичные хромосомы. Это парные структурно-функциональные элементы, находящиеся в диплоидной клетке. Гомологичные хромосомы отличаются тем, что каждая из них досталась от одного и от другого родителя. Такие элементы имеют сходную последовательность нуклеотидов по всей длине. Это означает, что гомологичные хромосомы имеют одни и те же гены, которые расположены в одинаковой последовательности. Стоит отметить, что изучение подобной темы является не только интересным, но и очень полезным в жизни, ведь о своем организме лучше знать как можно больше. Следует добавить, что гомологичные хромосомы постоянно обладают одним и тем же типом. Например, они могут быть целоцентрическими, субметацентрическими, акроцентрическими, метацентрическими. Негомологичные хромосомы содержат гены, которые являются несходными. Помимо этого данные структурно-функциональные элементы не конъюгируют при мейозе. Негомологичные хромосомы независимо друг от друга совершают комбинирование в клетке. Это было доказано во время изучения характеристик наследования признаков. Также данная информация была получена с помощью прямого цитологического метода.

35. Значение постоянства числа и формы хромосом.

Биологическое значение митоза заключается в том, что он обеспечивает постоянство числа хромосом во всех клетках организма. Все соматические клетки образуются в результате митотического деления, что обеспечивает рост организма. В процессе митоза происходит распределение веществ хромосом материнской клетки строго поровну между возникающими из нее двумя дочерними клетками. В результате митоза все клетки организма получают одну и ту же генетическую информацию.

36. Подготовка клетки к делению.

Размножение составляет одну из важнейших характеристик сущности жизни. К размножению способны все без исключения живые организмы, от бактерий до млекопитающих. Существование каждого вида животных н растений, преемственность между родительскими особями и их потомством поддерживаются только благодаря размножению.

На молекулярном уровне процесс, который можно условно назвать размножением, выражается в уникальной способности ДНК к самоудвоению ее молекул. На уровне клетки к размножению путем деления способны такие органоиды, как митохондрии и хлоропласты. Клетки одноклеточных и многоклеточных организмов размножаются делением. Формы размножения организмов очень разнообразны и сложны, но в основе всех способов бесполого и полового размножения лежит деление клетки.

Митоз. Основной способ деления эукариотических клеток – митоз (греч. «митос» – нить, [86]).

Рис. 86. Митоз клетки животных
Подготовка клеток к делению начинается в период интерфазы. Один из важнейших подготовительных процессов – синтез ДНК, т. е. удвоение ее молекулы, происходящее в середине периода интерфазы. Таким образом. к митозу приступают клетки, содержащие удвоенное после синтеза количество ДНК.

37. Редупликация ДНК - основа удвоения хромосом.

Репликация (позднелат. replicatio — повторение, от лат. replico — обращаюсь назад, повторяю), редупликация, ауторепродукция, аутосинтез, протекающий во всех живых клетках процесс самовоспроизведения (самокопирования) нуклеиновых кислот, генов, хромосом.

Репликация ДНК — это процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза.

В основе механизма репликация лежит ферментативный синтез дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновых кислот (РНК), осуществляемый по матричному принципу. Предложенная в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком модель строения ДНК — так называемая двойная спираль — с одной стороны, объяснила, каким образом записана генетическая информация в молекуле ДНК, с другой — позволила понять и экспериментально изучать химические механизмы удвоения генетического материала. Строгая специфичность спаривания азотистых оснований в молекуле ДНК обусловливает комплементарность последовательностей оснований в двух цепях и обеспечивает высокую точность Репликация Пара гуанин — цитозин стабилизируется тремя водородными связями, пара аденин — тимин — двумя, что резко снижает вероятность неправильного спаривания оснований. Согласно Уотсону и Крику, процесс Репликация ДНК предусматривает: 1) разрыв водородных связей и расплетение нитей двойной спирали; 2) синтез на одиночных нитях комплементарных цепей. В результате из одной двухцепочечной ДНК возникают две подобные молекулы, причём в каждой из дочерних молекул одна полинуклеотидная цепь родительская, а другая — синтезированная заново (полуконсервативный механизм Репликация).

У вирусов и фагов, имеющих однонитевую ДНК, Репликация идёт особым образом. После внедрения в клетку хозяина одноцепочечной ДНК, которую называют (+)-цепью, на ней, как на матрице, синтезируется комплементарная ей (—)-цепь. На образовавшейся двухспиральной молекуле (репликативная форма) синтезируются новые одноцепочечные (+)-цепи, включающиеся в новые вирусные частицы. По такому же принципу происходит Репликация РНК-содержащих вирусов и фагов. Т. о., во всех известных случаях Репликация ДНК и РНК проходит через стадию двухцепочечных молекул.

У высших организмов — эукариотов, клетки которых содержат сформированное ядро, основную генетическую функцию несут сложно организованные структуры — хромосомы, состоящие из ДНК, РНК, белков и других веществ. В интерфазе, предшествующей делению клеток (см. Митоз, Мейоз), осуществляется Репликация ДНК и других компонентов хромосом; затем удвоенные хромосомы разъединяются и распределяются равномерно между дочерними клетками. Т. о., вся наследственная информация в относительно неизмененном виде передаётся от клетки к клетке, от поколения к поколению.

Хеликаза, топоизомераза и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация у эукариот осуществляется несколькими разными ДНК-полимеразами. Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный.

Цепи молекулы ДНК расходятся, образую репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя (1958 г.). Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» — в результате репликации одна молекула ДНК состоит только из родительских цепей, а другая — только из дочерних цепей; «дисперсионная» — все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК).

Процесс редупликации: раскручивание спирали молекулы - отделение одной цепи от другой на части молекулы ДНК - воздействие фермента ДНК-полимеразы на молекулу - присоединение к каждой цепи ДНК комплементарных нуклеотидов - образование двух молекул ДНК из одной.

38. Митоз, его значение.

В митозе различают четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Во время профазы в ядре появляются тонкие нити. Эти нити – хромосомы. В профазе они спирализуются и потому начинают укорачиваться и утолщаться.

К концу профазы все хромосомы становятся хорошо видны в световой микроскоп, можно определить их размеры, форму, строение, число. Каждая хромосома – это удлиненное плотное тельце, состоящее и нескольких частей, отделенных друг от друга перетяжками [87]. Различают первичную перетяжку, или центромеру (греч. «мерос» – часть). На хромосоме может быть и вторичная перетяжка.

Рис. 87. Строение хромосомы
Каждая хромосома состоит из двух свернутых в спираль нитей (молекул) ДНК, которые называют хроматидами или дочерними хромосомами.

Во время профазы центриоли, а их две в каждой клетке, расходятся [86] к противоположным полюсам клетки и между ними образуется веретено деления. В конце профазы ядерная оболочка растворяется и хромосомы свободно располагаются в цитоплазме, ядрышки исчезают.

За профазой следует метафаза митоза. Во время метафазы завершается образование веретена деления и хромосомы располагаются в экваториальной плоскости веретена. Хромосомы образуют метафазную пластинку, и каждая хромосома прикрепляется своим центральным участком (центромерой) к одной из нитей веретена. У каждой хромосомы происходит отделение, обособление хроматид друг от друга [86].

Когда все хромосомы оказываются прикрепленными к нитям веретена, хроматиды каждой хромосомы начинают расходиться к полюсам клетки: к одному полюсу отходит одна хроматида, к противоположному – другая. Начало расхождения хроматид к полюсам клетки означает, что наступила следующая фаза митоза – анафаза. Во время анафазы хроматиды (дочерние хромосомы) расходятся к полюсам клетки. Движение хромосом осуществляется благодаря нитям веретена, которые сокращаются и растягивают дочерние хромосомы от экватора к полюсам клетки (рис. 86). При движении хромосом используется энергия АТФ.

Последняя фаза митоза – телофаза. Во время телофазы приблизившиеся к полюсам клетки хромосомы начинают раскручиваться и снова приобретают форму длинных нитей, переплетающихся друг с другом, что характерно для неделящегося ядра [86]. В дочерних ядрах вновь образуется ядерная оболочка, формируется ядрышко и полностью восстанавливается характерное для интерфазы строение ядра. На протяжении телофазы происходит и деление цитоплазмы, в результате которого две дочерние клетки отделяются друг от друга. Эти клетки по строению полностью сходны с материнской [86].

Продолжительность митоза. В жизненном цикле клетки мигов занимает значительно более короткий промежуток времени, чем интерфаза.

В большинстве клеток весь процесс митоза, от профазы до завершения телофазы, занимает 1-2 ч, а интерфаза во много раз продолжительнее.

Биологическое значение митоза. В результате митоза каждая дочерняя клетка получает точно такие же хромосомы, какие имела материнская клетка. Число хромосом в обеих дочерних клетках равно числу хромосом материнской клетки. Следовательно, биологическое значение митоза заключается в строго равномерном распределении хромосом между ядрами двух дочерних клеток. Это значит, что мигов обеспечивает точную передачу наследственной информации каждому из дочерних ядер.

Если нарушается нормальный ход митоза и в дочерней клетке хромосом окажется меньше или больше, чем в материнской, то это приведет либо к гибели, либо к существенным изменениям в жизнедеятельности клетки – к возникновению мутаций.

Число хромосом. Основу генетического критерия вида составляет число хромосом в клетке, которое постоянно для каждого вида живых организмов.

Данные о количестве хромосом у некоторых видов растений и животных приведены в таблице.

Хромосомы, содержащиеся в ядре одной клетки, всегда парные, т. е. в ядре имеются две одинаковые, или гомологичные, хромосомы, которые составляют одну пару. Так, 46 хромосом человека образуют 23 пары, в каждой паре две одинаковые хромосомы [88]. Хромосомы разных пар отличаются друг от друга размерами, формой, местами расположения первичных и вторичных перетяжек.
Рис. 88. Диплоидный набор хромосом человека
Совокупность хромосом, содержащихся в одном ядре, носит название хромосомного набора. Хромосомный набор характерен для каждого вида организмов. Примеры некоторых наборов хромосом приведены на рисунке [89].
Рис. 89. Диплоидный набор хромосом в клетках
В любом многоклеточном организме различаются две категории клеток: соматические (неполовые), которые входят в состав всех тканей и органов тела, и половые клетки. Ядра соматических клеток содержат диплоидный (двойной) набор хромосом. Ядра половых клеток содержат гаплоидный, т. е. одинарный, набор хромосом. Так, если диплоидный набор ржи включает 14 хромосом, то гаплоидный набор имеет 7 хромосом. Если диплоидный набор человека содержит 46 хромосом, то гаплоидный набор равен 23 хромосомам. В гаплоидном наборе от каждой пары остается только одна хромосома.

Число хромосом и диплоидного и гаплоидного набора постоянно для каждого вида организмов.

39. Развитие половых клеток.

Процесс формирования половых клеток — гамет — получил название гаметогенези. Формирование яйцеклеток называют онтогенезом, а сперматозоидов — сперматогенезом. Между этими двумя процессами много общего, и в них выделяют несколько фаз.