Клеточный и митотический циклы

В жизни клетки выделяют клеточный и митотический циклы.

Клеточный, или жизненный, цикл клетки – это период времени от появления клетки до ее гибели или до конца следующего клеточного деления. Периоды жизненного цикла соматических клеток: рост и дифференцировка, выполнение специфических функций, подготовка к делению (размножению), деление.

Для большинства клеток характерен митотический цикл – период подготовки ее к делению (интерфаза) и само деление (митоз).

Интерфаза включает три периода: G1 – пресинтетический (илипостмитотический), S – синтетический и G2 – постсинтетический, или премитотический. В период интерфазы изменяется содержание генетического материала в клетке: n – набор хромосом, chr – число хроматид в хромосоме, c – количество ДНК

Сразу после деления клетки начинается пресинтетический период. Содержание генетического материала – 2n1chr2c. В среднем этот период продолжается 12 часов, но может занимать несколько месяцев. В этот период клетка растет, начинает выполнять свои функции, идут активные процессы синтеза РНК, белков, нуклеотидов ДНК, увеличивается число рибосом, накапливается энергия в молекулах АТФ.

В синтетический период происходит репликация молекул ДНК – каждая хроматида достраивает себе подобную. Содержание генетического материала становится 2n2сhr4c. Удваиваются центриоли клеточного центра. Синтезируются РНК, АТФ и белки-гистоны. Клетка продолжает выполнять свои функции. Продолжительность периода – до 8 часов.

В постсинтетический период клетка готовится к митотическому делению. Накапливается энергия, активно синтезируются РНК и преимущественно ядерные белки и белки ахроматинового веретена деления. Содержание генетического материала не изменяется: 2n2chr4с. К концу периода затухают все синтетические процессы, меняется вязкость цитоплазмы, ядерно-цитоплазматическое отношение достигает критической величины. Клетка начинает делиться.

Основным способом деления соматических клеток является митоз.

Причины наступления митоза:

• изменение ядерно-цитоплазматического отношения от 1/6 – 1/8 до 1/69 – 1/89;

• наличие «митогенетических лучей», которые стимулируют деление рядом лежащих клеток;

• действие «раневых гормонов», которые выделяют поврежденные клетки и стимулируют деление клеток неповрежденных.

Значение митоза:

- поддержание постоянства числа хромосом, обеспечение генетической преемственности в клеточных популяциях;

- равномерное распределение хромосом и генетической информации между дочерними клетками.

Непрерывный процесс митоза разделяют на 4 стадии: профаза, метафаза, анафаза и телофаза

Профаза начинается со спирализации хроматина: длинные хроматиновые нити укорачиваются и утолщаются, образуя хромосомы. Центриоли расходятся к полюсам клетки, формируются нити веретена деления. Увеличивается объем ядра, растворяются ядрышки и ядерная оболочка. Хромосомы выходят в цитоплазму клетки. Содержание генетического материала 2n2chr4с.

Метафаза: хромосомы ориентируются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку. Нити веретена деления присоединены к центромерам хромосом. Можно видеть, что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Содержание генетического материала не изменяется: 2n2chr4с.

Анафаза. Нити веретена деления сокращаются. Хроматиды разделяются в области центромер и расходятся к полюсам клетки. Они называются дочерними хромосомами. Содержание генетической информации – 2n1chr2с у каждого полюса клетки.

В телофазу идет формирование дочерних ядер. Образуются оболочки ядер, хромосомы деспирализуются, теряют четкие очертания, восстанавливаются ядрышки.

Конечный этап митоза – цитокинез (разделение цитоплазмы). Образование оболочек дочерних клеток у животных начинается с периферии материнской клетки, у растений – от центра к периферии. Клеточная мембрана образуется при слиянии пузырьков эндоплазматической сети. Если цитокинез задерживается, образуются многоядерные клетки. Итог митоза:

Воздействия на клетку факторов окружающей среды в период митотического деления могут быть причиной повреждения хромосом, нарушения веретена деления или цитокинеза, что, в свою очередь, приведет к мутациям – полиплоидии или гетероплоидии.

Разновидностями митоза являются эндомитоз, политения и мейоз.

Эндомитоз – это репродукция (удвоение) хромосом без деления ядра. Он приводит к образованию полиплоидных клеток.

При политении происходит многократное удвоение хроматид. Хроматиды не расходятся, образуя политенные (многонитчатые) хромосомы.

Они встречаются в слюнных железах мухи дрозофилы.

8. Комбинативная изменчивость. Мейоз как основа комбинативной изменчивости.

Изменчивость – это свойство живых организмов приобретать в процессе онтогенеза признаки, отличающие их от родителей.

Комбинативная изменчивость – это перекомбинация генов родителей у потомков без изменения структуры генетического материала. Механизмы комбинативной изменчивости:

1. Свободное комбинирование хромосом и хроматид при расхождении их в мейозе:

2. Кроссинговер при мейозе (рекомбинация генов):

3. Случайная встреча гамет разного типа при оплодотворении.

Мейоз – это особое деление соматических клеток половых желез, которое приводит к образованию гамет. Мейоз состоит из двух делений – мейоз I и мейоз II. Каждое деление имеет четыре фазы: профаза I и профаза II, метафаза I и метафаза II, анафаза I и анафаза II, телофаза I и телофаза II

Самой сложной является профаза мейоза I. Она имеет 5 стадий:

1- лептотена: хроматин спирализуется, образуются тонкие хроматиновые нити, которые начинают движение друг к другу центромерными участками; генетический материал – 2n2chr4c.

2 – зиготена: начинается конъюгация коротких, толстых хроматиновых нитей (хромосом), которые соединяются по всей длине; генетическая информация не изменяется – 2n 2chr4c.

3 – пахитена: гомологичные хромосомы плотно соединяются по всей длине; образуемые фигуры называют биваленты хромосом или тетрады хроматид; генетический материал можно записать так – 1n biv4chr4с; к концу стадии в области центромер начинают действовать силы отталкивания и происходит кроссинговер – обмен участками гомологичных хромосом;

4 – диплотена: продолжают действовать силы отталкивания, но хромосомы остаются соединенным в области хиазм (перекрестов); содержание генетического материала сохраняется – 1n biv 4chr4с;

5 – диакинез: заканчивается спирализация хромосом, исчезают ядерная оболочка и ядрышко; биваленты хромосом, соединенные своими концами, выходят в цитоплазму и движутся к центру клетки; нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом; 1n biv 4chr4c.

В метафазе мейоза I биваленты располагаются по экватору клетки; четко видны отдельные хромосомы; генетический материал – 1n biv 4chr4с.

Анафаза I: биваленты распадаются на отдельные гомологичные хромосомы, которые расходятся к полюсам клетки; каждая хромосома содержит 2 хроматиды; содержание генетического материала на каждом полюсе клетки – 1n2chr2с; произошла редукция (уменьшение) числа хромосом – из диплоидного набор хромосом стал гаплоидным. Поэтому первое деление мейоза называется редукционным.

В телофазу мейоза I происходит цитокинез, и образуются две дочерние гаплоидные клетки – 1n2chr2c; в отличие от митоза в этой фазе не происходит деспирализации хромосом.

После мейоза I наступает интеркинез – короткий промежуток между двумя делениями и начинается мейоз II. Репликация ДНК не происходит.

Второе деление мейоза не отличается от митоза, но в профазе II не происходит спирализации хромосом (1n2chr2c), а в анафазе II к полюсам клетки отходят хроматиды (дочерние хромосомы). Каждая дочерняя клетка получает набор генетической информации1n1chr1с. Гаплоидный набор хромосом сохраняется. Второе деление мейоза называется эквационным, или уравнительным.

Из одной материнской диплоидной клетки образуются 4 клетки (гаметы) с гаплоидным набором хромосом.

Значение мейоза:

- это механизм образования гамет;

- поддерживает постоянство числа хромосом при половом размножении;

- обеспечивает комбинативную изменчивость в результате кроссинговера, независимого расхождения хроматид и хромосом, при образовании гамет.

9. Молекула ДНК – структурная и функциональная основа наследственности и изменчивости. Особенности пространственной организации ДНК в ядре.

Наследственность и изменчивость - это важнейшие свойства живого, которые не только отличают живое от неживого, но и определяют совместно с размножением бесконечное продолжение (непрерывность) жизни.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), высокополимерные природные соединения, содержащиеся в ядрах клеток живых организмов; вместе с белками гистонами образуют вещество хромосом. ДНК — носитель генетической информации, ее отдельные участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров 4-х типов — нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из 4-х азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин). Сочетания трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК (триплеты, или кодоны) составляют код генетический. Нарушения последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводят к наследственным изменениям в организме — мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу. ДНК является основной составляющей хромосом всех живых организмов; ею представлены гены всех про- и эукариот, а также геномы многих вирусов. В нуклеотидной последовательности ДНК записана (кодирована) генетическая информация о всех признаках вида и особенностях особи (индивидуума) — ее генотип. ДНК регулирует биосинтез компонентов клеток и тканей, определяет деятельность организма в течение всей его жизни.

Биосинтез ДНК происходит путем репликации, обеспечивающей точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению. Этот процесс происходит при участии фермента ДНК-полимеразы. Матрицей для синтеза ДНК может служить и однонитевая (одноцепочечная) молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК), что происходит, например, при заражении клеток ретровирусами (в их числе и вирусом СПИДа). Жизненный цикл этих вирусов включает обратный поток информации — от РНК к ДНК. При этом комплементарное копирование РНК в ДНК осуществляется с помощью фермента обратной транскриптазы. В ходе жизнедеятельности организмов их ДНК под влиянием внешних факторов может подвергаться различным повреждениям (мутациям), связанным с нарушением структуры азотистых оснований. В ходе эволюции клетки выработали защитные механизмы, обеспечивающие восстановление ее исходной структуры — репарацию ДНК.

Долгое время считалось, что ДНК содержится только в клетках животных, пока в 1930-х гг. российским биохимиком А. Н. Белозерским не было показано, что ДНК является обязательным компонентом всех живых клеток. Первые доказательства генетической роли ДНК (как вещества наследственности) были получены в 1944 группой американских ученых (О. Эйвери и др.), которые в опытах на бактериях однозначно установили, что с ее помощью наследуемый признак может быть перенесен от одной клетки к другой.

10. Генный уровень организации наследственного материала. Классификация и свойства генов. Взаимосвязь между геном и признаком.

В наследственной структуре клетки и организма в целом выделяют три уровня организации генетического материала: генный, хромосомный и геномный.

Генный уровень
Наименьшей (элементарной) единицей наследственного материала является ген.

Ген - ϶ᴛᴏ часть молекулы ДНК, имеющая определœенную последовательность нуклеотидов и представляющая собой единицу функционирования наследственного материала.

Ген несет информацию о конкретном признаке или свойстве организма. У человека имеется около 30 тысяч генов.

Изменение в структуре гена ведет к изменению соответствующего признака. Следовательно, на генном уровне обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальная изменчивость признаков.

Классификация генов по функциям:

- Структурные

- Функциональные

Структура гена прокариот.

Различают структурные гены – они содержат информацию о последовательности аминокислот в молекуле белка. Функциональные гены – регулируют работу структурных генов. Структурные гены обычно расположены рядом и образуют один блок, который называется оперон. Они отвечают за строение молекулы белка. В оперон входит промотор. Промотор – это участок молекулы ДНК, к которому присоединяется РНК – полимераза. Кроме того, промотор определяет с какой из двух цепей молекулы ДНК будет происходить транскрипция. Ген оператор – регуляторный участок. Ген терминатор – это ген расположен после структурного гена и на этом этапе заканчивается процесс транскрипции. На некотором расстоянии от оперона находится ген регулятор. Он отвечает за кодировку структуры белка репрессора.

Оперон состоит из двух зон:

- Неинформативная зона – состоит из двух частей. Проксимальная (акцепторная). Эта зона представлена несколькими последовательно расположенными генами промоторами и генами операторами. Дистальная (регуляторная), представлена генами регуляторами, которые ответственны за синтез белка репрессора.

- Информативная зона – представлена структурными генами. Один структурный ген может повторяться многократно. Они ответственны за разные звенья одной цепи биохимических реакций. В структурных генах различают участки экзоны и интроны, которые чередуются друг с другом. В различных генах число их различно. Экзоны – кодирующая зона. Интроны – не кодирующая зона.

У прокариот и эукариот различают гены модуляторы, которые контролируют работу оперона. К ним относятся ингибиторы или супрессоры, которые блокируют синтез белка, А также гены интенсификаторы, которые усиливают работу оперона.

Свойства генов:

- Гены контролируют определённые ферментативные реакции.

- Гены могут мутировать. Мутон – это минимальная единица мутирования. Может состоять из одной пары нуклеотидов.

- Ген может рекомбинировать. Рекон – единица рекомбинации. Минимальный размер рекона – две пары нуклеотидов.

- Дискретность.

- Плейотропность – один ген отвечает за развитие нескольких признаков.

- Дозированность – несколько генов могут контролировать один признак. Чем больше генов, тем признак выражен ярче.

- Пенетрантность – свойство генов проявляться в фенотипе.

- Экспрессивность – степень фенотипического проявления гена.

- Специфичность – содержит информацию об определённом белке.