Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме
Известно, что набор хромосом, т. е. набор молекул ДНК, одинаков во всех клетках одного организма. Следовательно, каждая клетка тела способна синтезировать любое количество каждого белка, свойственного данному организму. К счастью, этого никогда не происходит, так как клетки той или иной ткани должны иметь определенный набор белков, необходимый для выполнения их функции в многоклеточном организме, и ни в коем случае не синтезировать «посторонних» белков, которые свойственны клеткам других тканей.
Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон,в состав которого входят один или несколько структурных генов,т. е. генов, несущих информацию о структуре иРНК, которая, в свою очередь, несет информацию о структуре белка. Перед этими генами, в начале оперона, расположен промотор— «посадочная площадка» для фермента РНК-полимеразы. Между промотором и структурными генами в опероне располагается участок ДНК, называемый оператором. Если с оператором связан особый белок — репрессор,то РНК-полимераза не может начать синтез иРНК.
Конечно, полностью понять механизмы регуляции генов даже в относительно просто организованных живых существах мы пока не в силах. А если учесть, что организм человека состоит из более чем 200 млрд клеток и в каждой из них, по последним подсчетам исследователей, содержится до 120 тыс. генов, то становятся очевидными трудности, возникающие при изучении координации работы генов организма человека. Следует также учесть, что 99,9% ДНК у всех людей одинаковы и только оставшиеся 0,1% определяют неповторимую индивидуальность каждого человека: внешний вид, особенности характера, обмена веществ, склонность к тем или иным заболеваниям, индивидуальная реакция на лекарства и многое другое.
ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ: МИТОЗ И МЕЙОЗ.
ПОЛОВОЕ И БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ.
План лекции:
1. Общее представление о типах деления клетки.
2. Бесполое размножение.
3. Фазы митоза и их краткая характеристика.
4 Фазы мейоза и их краткая характеристика.
5. Половое размножение.
Общее представление о типах деления клетки.
При характеристике свойств живого уже отмечалось, что одним из свойств является дискретность. Это предполагает существование размножения – процесса производства себе подобных. Необходимое условие размножения – наследственность, т.е. способность воспроизвести свойства и признаки родителей.
Известны различные формы размножения, но все они могут быть объединены в два типа - половое и бесполое.
Половым размножением называют смену поколений и развитие организмов на основе специализированных - половых - клеток, образующихся в половых железах. В эволюции полового размножения наиболее прогрессивным оказался способ, благодаря которому новый организм развивается в результате слияния двух половых клеток, образованных разными родителями. Однако у беспозвоночных животных нередко сперматозоиды и яйцеклетки формируются в теле одного организма. Такое явление - обоеполость - называется гермафродитизмом.
Цветковые растения также бывают обоеполыми. У большинства видов покрытосеменных (цветковых) растений обоеполый цветок включает и тычинки, образующие мужские половые клетки - спермии, и пестики, содержащие яйцеклетки. Примерно у четвертой части видов мужские (тычиночные) и женские (пестичные) цветки развиваются независимо, Т.е. цветки однополые. Примером может служить конопля. У некоторых растений - кукурузы, березы - и мужские и женские цветки возникают на одной особи.
Бесполое размножение
Характеризуется тем, что новая особь развивается из не половых, соматических (телесных) клеток. Существует несколько типов бесполого деления:
1. Бинарное деление – деление, при котором образуются две равноценные дочерние клетки (амеба).
2. Множественное деление, или шизогония. Материнская клетка распадается на большое количество более или менее одинаковых дочерних клеток (малярийный плазмодий).
3. Споруляция. Размножение посредством спор – специализированных клеток грибов и растений. Если споры имеют жгутик и подвижны, то их называют зооспорами (хламидомонада).
4. Почкование. На материнской особи происходит образование выроста – почки, из которой развивается новая особь (дрожжи, гидра).
5. Фрагментация – разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых развивается в новую особь. У растений (спирогира) и у животных (кольчатые черви). В основе фрагментации лежит свойство регенерации.
6. Вегетативное размножение. Характерно для многих групп растений. При вегетативном размножении новая особь развивается либо из части материнской, либо из особых структур (луковица, клубень и т.д.), специально предназначенных для вегетативного размножения.
7. Полиэмбриония. Размножение во время эмбрионального развития, при котором из одной зиготы развивается несколько зародышей – близнецов (однояйцевые близнецы у человека). Потомство всегда одного пола.
8. Клонирование. Искусственный способ бесполого размножения. В естественных условиях не встречается. Клон – генетически идентичное потомство, полученное от одной особи в результате того или иного способа бесполого размножения.
Бесполое размножение, эволюционно возникшее раньше полового, - весьма эффективный процесс. С его помощью в благоприятных условиях численность вида может быстро увеличиваться.
Однако при любых формах бесполого размножения все потомки имеют генотип, идентичный материнскому. Поскольку все соматические клетки организма возникли путем митоза, а именно из них и развивается новый организм, становится понятным, почему все особи при бесполом размножении генетически сходны - оно не сопровождается повышением генетического разнообразия. Новые признаки, которые могут оказаться полезными при изменении условий среды, появляются только в результате относительно редких мутаций.3. Фазы митоза и их краткая характеристика.
К началу нашего века микроскописты описали основные этапы клеточного деления, получившего название митоз. Они установили, что разделению клеток предшествует продольное расщепление хромосом и что хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками, до мельчайших деталей повторяют строение хромосом материнской клетки.
МИТОЗ – это способ деления эукариотических клеток, при котором каждая из двух вновь возникающих клеток получает генетический материал, идентичный исходной клетке.
ИНТЕРФАЗА-период между делением. Интерфаза вместе с митозом образует клеточный, или митотический, цикл. Другими словами, клеточный цикл - это период жизни клетки от деления до деления.Длительность митотического цикла варьирует у разных организмов в широких пределах. У золотой рыбки первые деления дробления совершаются через 20 мин. Встречаются циклы, которые продолжаются несколько суток.
Основную часть жизни клетки находятся в интерфазе. Название этой стадии возникло еще в прошлом веке, период между делениями получил название промежуточного (лат. inter - между) или фазы покоя.
Обычно интерфазу подразделяют на три периода:
Пресинтетический (G 1) период (англ. gap - интервал) следует непосредственно за делением. Самый длительный период интерфазы. В клетках эукариот он продолжается от 10 ч до нескольких суток. Во время его происходит подготовка клетки к удвоению хромосом: синтезируется РНК, образуются различные белки, в частности, необходимые для образования предшественников ДНК. При этом увеличивается количество рибосом и поверхность шероховатой эндоплазматической сети, растет число митохондрий. Все это приводит к тому, что клетка интенсивно растет.
В синтетическом (S) периоде продолжается синтез РНК и белков и одновременно происходит удвоение хромосом. Вновь синтезированная ДНК сразу же соединяется с хромосомными белками. Синтез ДНК продолжается несколько часов, обычно 6-10. По его окончании каждая хромосома оказывается удвоенной - состоящей из двух сестринских хроматид. Сестринские хроматиды тесно сближены и соединены в том районе хромосомы, который обеспечивает ее движение при делении клетки. Он называется центромерным районом хромосомы.
Постсинтетический период (G2). В это время клетка готовится к делению: синтезируются белки микротрубочек, которые вовремя митоза будут формировать веретено деления, запасается энергия. Продолжительность G2-периода меньше, чем у S- и GI-периодов, и обычно составляет 3-6 ч.
После интерфазы наступает собственно митоз — деление ядра клетки. Митоз проходит в несколько фаз.
ПРОФАЗА В начале профазы в световой микроскоп можно увидеть тонкие хроматиновые нити, спутанныe в клубок, в котором не удается различить отдельные хромосомы. К концу профазы нити значительно укорачиваются и одновременно утолщаются, при этом некоторые хромосомы, особенно короткие, можно различить среди общей массы. Ядрышко, хорошо видимое в начале профазы, к концу ее исчезает. В цитоплазме во время профазы образуются нити веретена и формируются два полюса деления. Конец профазы знаменуется исчезновением ядерной оболочки.
ПРОМЕТАФАЗАХромосомы оказываются в цитоплазме. К центромерным районам прикрепляются микротрубочки веретена деления, и хромосомы начинают двигаться. Так как к центромерному району каждой хромосомы прикрепляются нити веретена обоих полюсов, то хромосома движется до тех пор, пока не займет центральное положение в клетке. При этом ее центромерный район оказывается на равном расстоянии от обоих полюсов.
МЕТАФАЗА наступает когда все хромосомы выстраиваются по экватору клетки. В метафазе хорошо видно, что каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, слегка обособленных друг от друга по длине хромосомы, но соединенных в центромерном районе. На этой стадии можно хорошо различать хромосомы по размерам и расположению центромерного района. Легко можно сосчитать число хромосом в клетке. Стадия метафазы очень короткая.
АНАФАЗА Сразу же после выстраивания хромосом в центре клетки центромерные районы сестринских хроматид разъединяются, и они становятся независимыми одна от другой. Сестринские хроматиды, ставшие самостоятельными хромосомами, расходятся к полюсам. Движение хромосом как и в прометафазе обеспечивается взаимодействием центромерных районов хромосом с микротрубочками веретена.
ТЕЛОФАЗА Вокруг собранных у полюсов хромосом формируется ядерная оболочка. Хромосомы претерпевают изменения, обратные тем, которые происходили с ними в профазе: из компактных они постепенно превращаются в тонкие и длинные, неразличимые в световой микроскоп. Образуются ядрышки. Телофаза заканчивается разделением цитоплазмы - цитокинезом, и на месте материнской клетки возникают две дочерние.
Разделение цитоплазмы у растений и животных происходит по-разному. В растительных клетках на месте расположения метафазных хромосом начинает строиться клеточная стенка, разделяющая материнскую клетку на две дочерние. Животные клетки благодаря эластичности клеточной мембраны делятся перешнуровкой материнской клетки. Если органеллы цитоплазмы были более или менее равномерно распределены по всему объему материнской клетки, то после цитокинеза они окажутся в дочерних клетках примерно в равном количестве.
Митоз - наиболее распространенный, но не единственный тип деления клеток. Практически у всех эукариотических организмов обнаружено так называемое прямое деление ядер, или амитоз. При амитозе не происходит конденсация хромосом и не образуется веретено деления, а ядро делится перетяжкой или фрагментацией, оставаясь в интерфазном состоянии. Цитокинез не всегда следует за делением ядра, поэтому в результате амитоза обычно возникают многоядерные клетки. Амитотические деления характерны для клеток, заканчивающих развитие: отмирающих эпителиальных клеток, фолликулярных клеток яичников и т. д. Встречается амитоз при патологических процессах: воспалении, злокачественном росте и др. После амитоза клетки не способны приступить к митотическому делению.
Биологическое значение митоза.Митоз лежит в основе роста и вегетативного размножения всех организмов, имеющих ядро,- эукарuот. Благодаря митозу поддерживается постоянство числа хромосом в клеточных поколениях, т. е. дочерние клетки получают такую же генетическую информацию, которая содержалась в ядре материнской клетки.