Основой хромосомы является одна молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), соединённая с разными белками.
Участок молекулы ДНК, который отвечает за наследование определённого признака, называется геном.
Ген - это материальная единица наследственности.
Совокупность генов организма называют генотипом.
 |
| Рис. 104. Схема основных этапов мейоза |
Каждый биологический вид имеет только присущий ему набор хромосом в клетке, который отличаются количеством, размерами, формой (рис. 103), и называется он кариотипом (с гр. орех, ядро ореха и форма, тип).
Хромосомы соматических клеток (клеток тела, неполовых клеток) всегда парные, то есть в ядре есть по две одинаковые по строению и размерам хромосомы. Они называются гомологическими, а парный набор хромосом - диплоидным (с гр. двойной). В соматических клетках организма человека насчитывается 46 хромосом, или 23 пары. У мужчин и женщин 22 пары хромосом одинаковые, их называют аутосомами и обозначают латинской буквой А. Последняя 23-я пара хромосом у мужчин и женщин отличается. Это - половые хромосомы. У женщин эта пара представлена двумя одинаковыми хромосомами, которые обозначают латинскими буквами XX. У мужчин одна из половых хромосом такая же, как у женщин (X-хромосома), а другая значительно меньше, имеет иную форму, и её обозначают латинской буквой Y. Хромосомный набор соматических клеток можно записать так: 44A + XX - у женщины, 44A + XY - у мужчины. Материал с сайтаhttp://worldofschool.ru
Зрелые половые клетки имеют гаплоидный (с гр.одиночный, простой) набор хромосом - 23 хромосомы. Набор хромосом в половых клетках формируется в результате особенного типа клеточного деления, что ведёт к уменьшению (редукции) количества хромосом. Такое деление называется мейозом (с гр. уменьшение) (рис. 104). Он происходит в половых железах и обеспечивает образование половых клеток, или гамет (с гр. жена). Процесс развития и формирования половых клеток, включающий также их мейотическое деление, называется гаметогенезом.
Женские половые клетки - яйцеклетки - всегда имеют одинаковый набор хромосом, который обозначается формулой 22 + X. Мужские половые клетки - сперматозоиды - имеют два варианта набора хромосом: 22 + X и 22 + Y.
СЕКРЕТЫ КОДА
Наследственность организма определяется набором генов (геномом). Ген - это участок молекулы ДНК, локализованный в хромосомах. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных вокруг общей оси длинных полинуклеотидных цепей. Отдельные нукле-отиды ДНК состоят из фосфорной кислоты, дезокси-рибозы и одного из азотистых оснований - аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц).
Масса одного нуклеотида составляет приблизительно 345 у. е., что дает возможность, зная молекулярную массу ДНК, определить число нуклеотидов в ней.
Средняя длина гена около 1000 пар оснований, что составляет 340 нм вытянутой двойной спирали ДНК.
Один нуклеотид в молекуле ДНК занимает 0,34 нм, что позволяет определить длину того или иного фрагмента ДНК, зная количество нуклеотидов.
Важнейшим свойством нуклеиновых кислот является комплементарность нуклеотидов: А - ТиГ- Ц. В молекуле и-РНК вместо тимидилового нуклеотида имеется уридиловый, комплементарный адениловому (А-У). "
Исходя из этого и зная чередование нуклеотидов в одной цепи ДНК, можно построить недостающую цепь.
Задача №1
Химический анализ показал, что 16% общего числа нуклеотидов данной и-РНК приходится на аденин, 29% - на гуанин, 42% - на цитозин.
Определите процентный состав азотистых оснований ДНК, «слепком» с которой является данная и-РНК.
Решение задачи №1
1). Определяем процентное содержание уридиловых нуклеотидов в и-РНК:
100% - (16% + 29% + 42%) = 13%.
2). Определяем процентный состав той из цепочек ДНК, «слепком» с которой является данная и-РНК:
А = 13% : 2 = 6,5%;
Т = 16% : 2 = 8%;
Генетическая информация в клетке. Гены, генетический код и его свойства. Матричный характер реакций биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот
Генетическая информация в клетке
Воспроизведение себе подобных является одним из фундаментальных свойств живого. Благодаря этому явлению существует сходство не только между организмами, но и между отдельными клетками, а также их органоидами (митохондриями и пластидами). Материальной основой этого сходства является передача зашифрованной в последовательности нуклеотидов ДНК генетической информации, которая осуществляется благодаря процессам репликации (самоудвоения) ДНК. Реализуются все признаки и свойства клеток и организмов благодаря белкам, структуру которых в первую очередь и определяют последовательности нуклеотидов ДНК. Поэтому первостепенное значение в процессах метаболизма играет именно биосинтез нуклеиновых кислот и белка. Структурной единицей наследственной информации является ген.
Гены, генетический код и его свойства
Наследственная информация в клетке не является монолитной, она разбита на отдельные «слова» - гены.
Ген - это элементарная единица генетической информации.
Работы по программе «Геном человека», которые проводились одновременно в нескольких странах и были завершены в начале нынешнего века, дали нам понимание того, что у человека всего около 25–30 тыс. генов, но информация с большей части нашей ДНК не считывается никогда, так как в ней содержится огромное количество бессмысленных участков, повторов и генов, кодирующих признаки, утратившие значение для человека (хвост, оволосение тела и др.). Кроме того, был расшифрован ряд генов, отвечающих за развитие наследственных заболеваний, а также генов-мишеней лекарственных препаратов. Однако практическое применение результатов, полученных в ходе реализации данной программы, откладывается до тех пор, пока не будут расшифрованы геномы большего количества людей и станет понятно, чем же все-таки они различаются.
Гены, кодирующие первичную структуру белка, рибосомальной или транспортной РНК называются структурными , а гены, обеспечивающие активацию или подавление считывания информации со структурных генов, - регуляторными . Однако даже структурные гены содержат регуляторные участки.
Наследственная информация организмов зашифрована в ДНК в виде определенных сочетаний нуклеотидов и их последовательности - генетического кода . Его свойствами являются: триплетность, специфичность, универсальность, избыточность и неперекрываемость. Кроме того, в генетическом коде отсутствуют знаки препинания.
Каждая аминокислота закодирована в ДНК тремя нуклеотидами - триплетом, например, метионин закодирован триплетом ТАЦ, то есть код триплетен. С другой стороны, каждый триплет кодирует только одну аминокислоту, в чем заключается его специфичность или однозначность. Генетический код универсален для всех живых организмов, то есть наследственная информация о белках человека может считываться бактериями и наоборот. Это свидетельствует о единстве происхождения органического мира. Однако 64 комбинациям нуклеотидов по три соответствует только 20 аминокислот, вследствие чего одну аминокислоту может кодировать 2–6 триплетов, то есть генетический код избыточен, или вырожден. Три триплета не имеют соответствующих аминокислот, их называют стоп-кодонами , так как они обозначают окончание синтеза полипептидной цепи.
Последовательность оснований в триплетах ДНК и кодируемые ими аминокислоты
*Стоп-кодон, означающий конец синтеза полипептидной цепи.
Сокращения названий аминокислот:
Ала - аланин
Арг - аргинин
Асн - аспарагин
Асп - аспарагиновая кислота
Вал - валин
Гис - гистидин
Гли - глицин
Глн - глутамин
Глу - глутаминовая кислота
Иле - изолейцин
Лей - лейцин
Лиз - лизин
Мет - метионин
Про - пролин
Сер - серин
Тир - тирозин
Тре - треонин
Три - триптофан
Фен - фенилаланин
Цис - цистеин
Если начать считывание генетической информации не с первого нуклеотида в триплете, а со второго, то произойдет не только сдвижка рамки считывания - синтезированный таким образом белок будет совсем иным не только по последовательности нуклеотидов, но и по структуре и свойствам. Между триплетами отсутствуют какие бы то ни было знаки препинания, поэтому нет никаких препятствий для сдвижки рамки считывания, что открывает простор для возникновения и сохранения мутаций.
Матричный характер реакций биосинтеза
Клетки бактерий способны удваиваться каждые 20–30 минут, а клетки эукариот - каждые сутки и даже чаще, что требует высокой скорости и точности репликации ДНК. Кроме того, каждая клетка содержит сотни и тысячи копий многих белков, особенно ферментов, следовательно, для их воспроизведения неприемлем «штучный» способ их производства. Более прогрессивным способом является штамповка, которая позволяет получить многочисленные точные копии продукта и к тому же снизить его себестоимость. Для штамповки необходима матрица, с которой осуществляется оттиск.
В клетках принцип матричного синтеза заключается в том, что новые молекулы белков и нуклеиновых кислот синтезируются в соответствии с программой, заложенной в структуре ранее существовавших молекул тех же нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).
Биосинтез белка и нуклеиновых кислот
Репликация ДНК. ДНК представляет собой двухцепочечный биополимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Если бы биосинтез ДНК происходил по принципу ксерокопирования, то неизбежно возникали бы многочисленные искажения и погрешности в наследственной информации, которые в конечном итоге привели бы к гибели новых организмов. Поэтому процесс удвоения ДНК происходит иным, полуконсервативным способом : молекула ДНК расплетается, и на каждой из цепей синтезируется новая цепь по принципу комплементарности. Процесс самовоспроизведения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование наследственной информации и передачу ее из поколения в поколение, называется репликацией (от лат. репликацио - повторение). В результате репликации образуются две абсолютно точные копии материнской молекулы ДНК, каждая из которых несет по одной копии материнской.
Процесс репликации на самом деле крайне сложен, так как в нем участвует целый ряд белков. Одни из них раскручивают двойную спираль ДНК, другие разрывают водородные связи между нуклеотидами комплементарных цепей, третьи (например, фермент ДНК-полимераза) подбирают по принципу комплементарности новые нуклеотиды и т. д. Образовавшиеся в результате репликации две молекулы ДНК в процессе деления расходятся по двум вновь образующимся дочерним клеткам.
Ошибки в процессе репликации возникают крайне редко, однако если они и происходят, то очень быстро устраняются как ДНК-полимеразами, так и специальными ферментами репарации, поскольку любая ошибка в последовательности нуклеотидов может привести к необратимому изменению структуры и функций белка и, в конечном итоге, неблагоприятно сказаться на жизнеспособности новой клетки или даже особи.
Биосинтез белка. Как образно выразился выдающийся философ XIX века Ф. Энгельс: «Жизнь есть форма существования белковых тел». Структура и свойства белковых молекул определяются их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот, зашифрованной в ДНК. От точности воспроизведения этой информации зависит не только существование самого полипептида, но и функционирование клетки в целом, поэтому процесс синтеза белка имеет огромное значение. Он, по-видимому, является самым сложным процессом синтеза в клетке, поскольку здесь участвует до трехсот различных ферментов и других макромолекул. Кроме того, он протекает с высокой скоростью, что требует еще большей точности.
В биосинтезе белка выделяют два основных этапа: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция (от лат. транскрипцио - переписывание) - это биосинтез молекул иРНК на матрице ДНК.
Поскольку молекула ДНК содержит две антипараллельных цепи, то считывание информации с обеих цепей привело бы к образованию совершенно различных иРНК, поэтому их биосинтез возможен только на одной из цепей, которую называют кодирующей, или кодогенной, в отличие от второй, некодирующей, или некодогенной. Обеспечивает процесс переписывания специальный фермент РНК-полимераза, который подбирает нуклеотиды РНК по принципу комплементарности. Этот процесс может протекать как в ядре, так и в органоидах, имеющих собственную ДНК, - митохондриях и пластидах.
Синтезированные в процессе транскрипции молекулы иРНК проходят сложный процесс подготовки к трансляции (митохондриальные и пластидные иРНК могут оставаться внутри органоидов, где и происходит второй этап биосинтеза белка). В процессе созревания иРНК к ней присоединяются первые три нуклеотида (АУГ) и хвост из адениловых нуклеотидов, длина которого определяет, сколько копий белка может синтезироваться на данной молекуле. Только потом зрелые иРНК покидают ядро через ядерные поры.
Параллельно в цитоплазме происходит процесс активации аминокислот, в ходе которого аминокислота присоединяется к соответствующей свободной тРНК. Этот процесс катализируется специальным ферментом, на него затрачивается АТФ.
Трансляция (от лат. трансляцио - передача) - это биосинтез полипептидной цепи на матрице иРНК, при котором происходит перевод генетической информации в последовательность аминокислот полипептидной цепи.
Второй этап синтеза белка чаще всего происходит в цитоплазме, например на шероховатой ЭПС. Для его протекания необходимы наличие рибосом, активация тРНК, в ходе которой они присоединяют соответствующие аминокислоты, присутствие ионов Mg2+, а также оптимальные условия среды (температура, рН, давление и т. д.).
Для начала трансляции (инициации ) к готовой к синтезу молекуле иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, а затем по принципу комплементарности к первому кодону (АУГ) подбирается тРНК, несущая аминокислоту метионин. Лишь после этого присоединяется большая субъединица рибосомы. В пределах собранной рибосомы оказываются два кодона иРНК, первый из которых уже занят. К соседнему с ним кодону присоединяется вторая тРНК, также несущая аминокислоту, после чего между остатками аминокислот с помощью ферментов образуется пептидная связь. Рибосома передвигается на один кодон иРНК; первая из тРНК, освободившаяся от аминокислоты, возвращается в цитоплазму за следующей аминокислотой, а фрагмент будущей полипептидной цепи как бы повисает на оставшейся тРНК. К новому кодону, оказавшемуся в пределах рибосомы, присоединяется следующая тРНК, процесс повторяется и шаг за шагом полипептидная цепь удлиняется, т. е. происходит ее элонгация.
Окончание синтеза белка (терминация ) происходит, как только в молекуле иРНК встретится специфическая последовательность нуклеотидов, которая не кодирует аминокислоту (стоп-кодон). После этого рибосома, иРНК и полипептидная цепь разделяются, а вновь синтезированный белок приобретает соответствующую структуру и транспортируется в ту часть клетки, где он будет выполнять свои функции.
Трансляция является весьма энергоемким процессом, поскольку на присоединение одной аминокислоты к тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ, еще несколько используются для продвижения рибосомы по молекуле иРНК.
Для ускорения синтеза определенных белковых молекул к молекуле иРНК могут присоединяться последовательно несколько рибосом, которые образуют единую структуру - полисому.
Клетка - генетическая единица живого. Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции. Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки. Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз. Митоз - деление соматических клеток. Мейоз. Фазы митоза и мейоза. Развитие половых клеток у растений и животных. Деление клетки - основа роста, развития и размножения организмов. Роль мейоза и митоза
Клетка - генетическая единица живого
Несмотря на то, что нуклеиновые кислоты являются носителем генетической информации, реализация этой информации невозможна вне клетки, что легко доказывается на примере вирусов. Данные организмы, содержащие зачастую только ДНК или РНК, не могут самостоятельно воспроизводиться, для этого они должны использовать наследственный аппарат клетки. Даже проникнуть в клетку без помощи самой клетки они не могут, кроме как с использованием механизмов мембранного транспорта или благодаря повреждению клеток. Большинство вирусов нестабильно, они гибнут уже после нескольких часов пребывания на открытом воздухе. Следовательно, клетка является генетической единицей живого, обладающей минимальным набором компонентов для сохранения, изменения и реализации наследственной информации, а также ее передачи потомкам.
Большая часть генетической информации эукариотической клетки сосредоточена в ядре. Особенностью ее организации является то, что, в отличие от ДНК прокариотической клетки, молекулы ДНК эукариот не замкнуты и образуют сложные комплексы с белками - хромосомы.
Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции
Хромосома (от греч. хрома - цвет, окраска и сома - тело) - это структура клеточного ядра, которая содержит гены и несет определенную наследственную информацию о признаках и свойствах организма.
Иногда хромосомами называют и кольцевые молекулы ДНК прокариот. Хромосомы способны к самоудвоению, они обладают структурной и функциональной индивидуальностью и сохраняют ее в ряду поколений. Каждая клетка несет всю наследственную информацию организма, но в ней работает только небольшая часть.
Основой хромосомы является двухцепочечная молекула ДНК, упакованная с белками. У эукариот с ДНК взаимодействуют гистоновые и негистоновые белки, тогда как у прокариот гистоновые белки отсутствуют.
Лучше всего хромосомы видны под световым микроскопом в процессе деления клетки, когда они в результате уплотнения приобретают вид палочковидных телец, разделенных первичной перетяжкой - центромерой - на плечи . На хромосоме может быть также и вторичная перетяжка , которая в некоторых случаях отделяет от основной части хромосомы так называемый спутник . Концевые участки хромосом называются теломерами . Теломеры препятствуют слипанию концов хромосом и обеспечивают их прикрепление к оболочке ядра в неделящейся клетке. В начале деления хромосомы удвоены и состоят из двух дочерних хромосом - хроматид , скрепленных в центромере.
По форме различают равноплечие, неравноплечие и палочковидные хромосомы. Размеры хромосом существенно варьируют, однако средняя хромосома имеет размеры 5 $×$ 1,4 мкм.
В некоторых случаях хромосомы в результате многочисленных удвоений ДНК содержат сотни и тысячи хроматид: такие гигантские хромосомы называются политенными . Они встречаются в слюнных железах личинок дрозофилы, а также в пищеварительных железах аскариды.
Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки
Согласно клеточной теории клетка является единицей строения, жизнедеятельности и развития организма. Таким образом, такие важнейшие функции живого, как рост, размножение и развитие организма обеспечиваются на клеточном уровне. Клетки многоклеточных организмов можно разделить на соматические и половые.
Соматические клетки - это все клетки тела, образующиеся в результате митотического деления.
Изучение хромосом позволило установить, что для соматических клеток организма каждого биологического вида характерно постоянное число хромосом. Например, у человека их 46. Набор хромосом соматических клеток называют диплоидным (2n), или двойным.
Половые клетки , или гаметы , - это специализированные клетки, служащие для полового размножения.
В гаметах содержится всегда вдвое меньше хромосом, чем в соматических клетках (у человека - 23), поэтому набор хромосом половых клеток называется гаплоидным (n), или одинарным. Его образование связано с мейотическим делением клетки.
Количество ДНК соматических клеток обозначается как 2c, а половых - 1с. Генетическая формула соматических клеток записывается как 2n2c, а половых - 1n1с.
В ядрах некоторых соматических клеток количество хромосом может отличаться от их количества в соматических клетках. Если это различие больше на один, два, три и т. д. гаплоидных набора, то такие клетки называют полиплоидными (три-, тетра-, пентаплоидными соответственно). В таких клетках процессы метаболизма протекают, как правило, очень интенсивно.
Количество хромосом само по себе не является видоспецифическим признаком, поскольку различные организмы могут иметь равное количество хромосом, а родственные - разное. Например, у малярийного плазмодия и лошадиной аскариды по две хромосомы, а у человека и шимпанзе - 46 и 48 соответственно.
Хромосомы человека делятся на две группы: аутосомы и половые хромосомы (гетерохромосомы). Аутосом в соматических клетках человека насчитывается 22 пары, они одинаковы для мужчин и женщин, а половых хромосом только одна пара, но именно она определяет пол особи. Существует два вида половых хромосом - X и Y. Клетки тела женщины несут по две X-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. Например, кариотип нормального мужчины записывается как 46, XY, а кариотип нормальной женщины - 46, XX.
Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз
Клетки не возникают каждый раз заново, они образуются только в результате деления материнских клеток. После разделения дочерним клеткам требуется некоторое время для формирования органоидов и приобретения соответствующей структуры, которая обеспечила бы выполнение определенной функции. Этот отрезок времени называется созреванием.
Промежуток времени от появления клетки в результате деления до ее 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: G 1 -, S- и G 2 -периоды.
G 1 -период (пресинтетический, постмитотический) - это период роста и развития клетки, в который происходит активный синтез РНК, белков и других веществ, необходимых для полного жизнеобеспечения вновь образовавшейся клетки. К концу этого периода клетка может начать готовиться к удвоению ДНК.
В S-периоде (синтетическом) происходит сам процесс репликации ДНК. Единственным участком хромосомы, который не подвергается репликации, является центромера, поэтому образовавшиеся молекулы ДНК не расходятся полностью, а остаются скрепленными в ней, и в начале деления хромосома имеет X-образный вид. Генетическая формула клетки после удвоения ДНК - 2n4c. Также в S-периоде происходит удвоение центриолей клеточного центра.
G 2 -период (постсинтетический, премитотический) характеризуется интенсивным синтезом РНК, белков и АТФ, необходимых для процесса деления клетки, а также разделением центриолей, митохондрий и пластид. До конца интерфазы хроматин и ядрышко остаются хорошо различимыми, целостность ядерной оболочки не нарушается, а органоиды не изменяются.
Часть клеток организма способна выполнять свои функции в течение всей жизни организма (нейроны нашего головного мозга, мышечные клетки сердца), а другие существуют непродолжительное время, после чего погибают (клетки кишечного эпителия, клетки эпидермиса кожи). Следовательно, в организме должны постоянно происходить процессы деления клеток и образования новых, которые замещали бы отмершие. Клетки, способные к делению, называют стволовыми . В организме человека они находятся в красном костном мозге, в глубоких слоях эпидермиса кожи и других местах. Используя эти клетки, можно вырастить новый орган, добиться омоложения, а также клонировать организм. Перспективы использования стволовых клеток совершенно ясны, однако морально-этические аспекты этой проблемы все еще обсуждаются, поскольку в большинстве случаев используются эмбриональные стволовые клетки, полученные из убитых при аборте зародышей человека.
Продолжительность интерфазы в клетках растений и животных составляет в среднем 10– 20 часов, тогда как митоз занимает около 1–2 часов.
В ходе последовательных делений в многоклеточных организмах дочерние клетки становятся все более разнообразными, поскольку в них происходит считывание информации со все большего числа генов.
Некоторые клетки со временем перестают делиться и погибают, что может быть связано с завершением выполнения определенных функций, как в случае клеток эпидермиса кожи и клеток крови или с повреждением этих клеток факторами окружающей среды, в частности возбудителями болезней. Генетически запрограммированная смерть клетки называется апоптозом , тогда как случайная гибель - некрозом .
Митоз - деление соматических клеток. Фазы митоза
Митоз - способ непрямого деления соматических клеток.
Во время митоза клетка проходит ряд последовательных фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, как и в материнской клетке.
Митоз делится на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Профаза - наиболее длительная стадия митоза, в процессе которой происходит конденсация хроматина, в результате чего становятся видны X-образные хромосомы, состоящие из двух хроматид (дочерних хромосом). При этом исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки, и начинает формироваться ахроматиновое веретено (веретено деления) из микротрубочек. В конце профазы ядерная оболочка распадается на отдельные пузырьки.
В метафазе хромосомы выстраиваются по экватору клетки своими центромерами, к которым прикрепляются микротрубочки полностью сформированного веретена деления. На этой стадии деления хромосомы наиболее уплотнены и имеют характерную форму, что позволяет изучить кариотип.
В анафазе происходит быстрая репликация ДНК в центромерах, вследствие которой хромосомы расщепляются и хроматиды расходятся к полюсам клетки, растягиваемые микротрубочками. Распределение хроматид должно быть абсолютно равным, поскольку именно этот процесс обеспечивает поддержание постоянства числа хромосом в клетках организма.
На стадии телофазы дочерние хромосомы собираются на полюсах, деспирализуются, вокруг них из пузырьков формируются ядерные оболочки, а во вновь образовавшихся ядрах возникают ядрышки.
После деления ядра происходит деление цитоплазмы - цитокинез, в ходе которого и происходит более или менее равномерное распределение всех органоидов материнской клетки.
Таким образом, в результате митоза из одной материнской клетки образуется две дочерних, каждая из которых является генетической копией материнской (2n2c).
В больных, поврежденных, стареющих клетках и специализированных тканях организма может происходить несколько иной процесс деления - амитоз. Амитозом называют прямое деление эукариотических клеток, при котором не происходит образования генетически равноценных клеток, так как клеточные компоненты распределяются неравномерно. Он встречается у растений в эндосперме, а у животных - в печени, хрящах и роговице глаза.
Мейоз. Фазы мейоза
Мейоз - это способ непрямого деления первичных половых клеток (2n2с), в результате которого образуются гаплоидные клетки (1n1с), чаще всего половые.
В отличие от митоза, мейоз состоит из двух последовательных делений клетки, каждому из которых предшествует интерфаза. Первое деление мейоза (мейоз I) называется редукционным , так как при этом количество хромосом уменьшается вдвое, а второе деление (мейоз II) - эквационным , так как в его процессе количество хромосом сохраняется.
Интерфаза I протекает подобно интерфазе митоза. Мейоз I делится на четыре фазы: профазу I, метафазу I, анафазу I и телофазу I. В профазе I происходят два важнейших процесса - конъюгация и кроссинговер. Конъюгация - это процесс слияния гомологичных (парных) хромосом по всей длине. Образовавшиеся в процессе конъюгации пары хромосом сохраняются до конца метафазы I.
Кроссинговер - взаимный обмен гомологичными участками гомологичных хромосом. В результате кроссинговера хромосомы, полученные организмом от обоих родителей, приобретают новые комбинации генов, что обусловливает появление генетически разнообразного потомства. В конце профазы I, как и в профазе митоза, исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки, а ядерная оболочка распадается.
В метафазе I пары хромосом выстраиваются по экватору клетки, к их центромерам прикрепляются микротрубочки веретена деления.
В анафазе I к полюсам расходятся целые гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид.
В телофазе I вокруг скоплений хромосом у полюсов клетки образуются ядерные оболочки, формируются ядрышки.
Цитокинез I обеспечивает разделение цитоплазм дочерних клеток.
Образовавшиеся в результате мейоза I дочерние клетки (1n2c) генетически разнородны, поскольку их хромосомы, случайным образом разошедшиеся к полюсам клетки, содержат неодинаковые гены.
Сравнительная характеристика митоза и мейоза
| Признак | Митоз | Мейоз | |
| Какие клетки вступают в деление? | Соматические (2n) | Первичные половые клетки (2n) | |
| Число делений | 1 | 2 | |
| Сколько и каких клеток образуется в процессе деления? | 2 соматические (2n) | 4 половые (n) | |
| Интерфаза | Подготовка клетки к делению, удвоение ДНК | Очень короткая, удвоения ДНК не происходит | |
| Фазы | Мейоз I | Мейоз II | |
| Профаза | Конденсация хромосом, исчезновение ядрышка, распад ядерной оболочки, могут происходить конъюгация и кроссинговер | Конденсация хромосом, исчезновение ядрышка, распад ядерной оболочки | |
| Метафаза | По экватору располагаются пары хромосом, формируется веретено деления | Хромосомы выстраиваются по экватору, формируется веретено деления | |
| Анафаза | К полюсам расходятся гомологичные хромосомы из двух хроматид | К полюсам расходятся хроматиды | |
| Телофаза | Хромосомы деспирализуются, формируются новые ядерные оболочки и ядрышки | Хромосомы деспирализуются, формируются новые ядерные оболочки и ядрышки | |
Интерфаза II очень короткая, так как в ней не происходит удвоения ДНК, то есть отсутствует S-период.
Мейоз II также делится на четыре фазы: профазу II, метафазу II, анафазу II и телофазу II. В профазе II протекают те же процессы, что и в профазе I, за исключением конъюгации и кроссинговера.
В метафазе II хромосомы располагаются вдоль экватора клетки.
В анафазе II хромосомы расщепляются в центромерах и к полюсам растягиваются уже хроматиды.
В телофазе II вокруг скоплений дочерних хромосом формируются ядерные оболочки и ядрышки.
После цитокинеза II генетическая формула всех четырех дочерних клеток - 1n1c, однако все они имеют различный набор генов, что является результатом кроссинговера и случайного сочетания хромосом материнского и отцовского организмов в дочерних клетках.
Развитие половых клеток у растений и животных
Гаметогенез (от греч. гамете - жена, гаметес - муж и генезис - происхождение, возникновение) - это процесс образования зрелых половых клеток.
Так как для полового размножения чаще всего необходимы две особи - женская и мужская, продуцирующие различные половые клетки - яйцеклетки и спермии, то и процессы образования этих гамет должны быть различны.
Характер процесса в существенной степени зависит и от того, происходит ли он в растительной или животной клетке, поскольку у растений при образовании гамет происходит только митоз, а у животных - и митоз, и мейоз.
Развитие половых клеток у растений. У покрытосеменных растений образование мужских и женских половых клеток происходит в различных частях цветка - тычинках и пестиках соответственно.
Перед образованием мужских половых клеток - микрогаметогенезом (от греч. микрос - маленький) - происходит микроспорогенез , то есть формирование микроспор в пыльниках тычинок. Этот процесс связан с мейотическим делением материнской клетки, в результате которого возникают четыре гаплоидные микроспоры. Микрогаметогенез сопряжен с митотическим делением микроспоры, дающим мужской гаметофит из двух клеток - крупной вегетативной (сифоногенной) и мелкой генеративной . После деления мужской гаметофит покрывается плотными оболочками и образует пыльцевое зерно. В некоторых случаях еще в процессе созревания пыльцы, а иногда только после переноса на рыльце пестика генеративная клетка делится митотически с образованием двух неподвижных мужских половых клеток - спермиев . Из вегетативной клетки после опыления формируется пыльцевая трубка, по которой спермии проникают в завязь пестика для оплодотворения.
Развитие женских половых клеток у растений называется мегагаметогенезом (от греч. мегас - большой). Он происходит в завязи пестика, чему предшествует мегаспорогенез , в результате которого из материнской клетки мегаспоры, лежащей в нуцеллусе, путем мейотического деления формируются четыре мегаспоры. Одна из мегаспор трижды делится митотически, давая женский гаметофит - зародышевый мешок с восемью ядрами. При последующем обособлении цитоплазм дочерних клеток одна из образовавшихся клеток становится яйцеклеткой, по бокам от которой лежат так называемые синергиды, на противоположном конце зародышевого мешка формируются три антипода, а в центре в результате слияния двух гаплоидных ядер образуется диплоидная центральная клетка.
Развитие половых клеток у животных. У животных различают два процесса образования половых клеток - сперматогенез и овогенез.
Сперматогенез (от греч. сперма, сперматос - семя и генезис - происхождение, возникновение) - это процесс образования зрелых мужских половых клеток - сперматозоидов. У человека он протекает в семенниках, или яичках, и делится на четыре периода: размножение, рост, созревание и формирование.
В период размножения первичные половые клетки делятся митотически, вследствие чего образуются диплоидные сперматогонии . В период роста сперматогонии накапливают питательные вещества в цитоплазме, увеличиваются в размерах и превращаются в первичные сперматоциты , или сперматоциты 1-го порядка . Лишь после этого они вступают в мейоз (период созревания ), в результате которого образуется сначала два вторичных сперматоцита , или сперматоцита 2-го порядка , а затем - четыре гаплоидных клетки с еще достаточно большим количеством цитоплазмы - сперматиды . В период формирования они утрачивают почти всю цитоплазму и формируют жгутик, превращаясь в сперматозоиды.
Сперматозоиды , или живчики , - очень мелкие подвижные мужские половые клетки, имеющие головку, шейку и хвостик.
В головке , кроме ядра, находится акросома - видоизмененный комплекс Гольджи, обеспечивающий растворение оболочек яйцеклетки в процессе оплодотворения. В шейке находятся центриоли клеточного центра, а основу хвостика образуют микротрубочки, непосредственно обеспечивающие движение сперматозоида. В нем также расположены митохондрии, обеспечивающие сперматозоид энергией АТФ для движения.
Овогенез (от греч. оон - яйцо и генезис - происхождение, возникновение) - это процесс образования зрелых женских половых клеток - яйцеклеток. У человека он происходит в яичниках и состоит из трех периодов: размножения, роста и созревания. Периоды размножения и роста, аналогичные таковым в сперматогенезе, происходят еще во время внутриутробного развития. При этом из первичных половых клеток в результате митоза образуются диплоидные оогонии , которые превращаются затем в диплоидные первичные ооциты , или ооциты 1-го порядка . Мейоз и последующий цитокинез, протекающие в период созревания , характеризуются неравномерностью деления цитоплазмы материнской клетки, так что в итоге сначала получается один вторичный ооцит , или ооцит 2-го порядка , и первое полярное тельце , а затем из вторичного ооцита - яйцеклетка, сохраняющая весь запас питательных веществ, и второе полярное тельце, тогда как первое полярное тельце делится на два. Полярные тельца забирают избыток генетического материала.
У человека яйцеклетки вырабатываются с промежутком 28–29 суток. Цикл, связанный с созреванием и выходом яйцеклеток, называется менструальным.
Яйцеклетка - крупная женская половая клетка, которая несет не только гаплоидный набор хромосом, но и значительный запас питательных веществ для последующего развития зародыша.
Яйцеклетка у млекопитающих покрыта четырьмя оболочками, снижающими вероятность ее повреждения различными факторами. Диаметр яйцеклетки у человека достигает 150–200 мкм, тогда как у страуса он может составлять несколько сантиметров.
Деление клетки - основа роста, развития и размножения организмов. Роль митоза и мейоза
Если у одноклеточных организмов деление клетки приводит к увеличению количества особей, т. е. размножению, то у многоклеточных этот процесс может иметь различное значение. Так, деление клеток зародыша, начиная с зиготы, является биологической основой взаимосвязанных процессов роста и развития. Подобные же изменения наблюдаются у человека в подростковом возрасте, когда число клеток не только увеличивается, но и происходит качественное изменение организма. В основе размножения многоклеточных организмов также лежит деление клетки, например при бесполом размножении благодаря этому процессу из части организма происходит восстановление целостного, а при половом - в процессе гаметогенеза образуются половые клетки, дающие впоследствии новый организм. Следует отметить, что основные способы деления эукариотической клетки - митоз и мейоз - имеют различное значение в жизненных циклах организмов.
В результате митоза происходит равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками - точными копиями материнской. Без митоза было бы невозможным существование и рост многоклеточных организмов, развивающихся из единственной клетки - зиготы, поскольку все клетки таких организмов должны содержать одинаковую генетическую информацию.
В процессе деления дочерние клетки становятся все более разнообразными по строению и выполняемым функциям, что связано с активацией у них все новых групп генов вследствие межклеточного взаимодействия. Таким образом, митоз необходим для развития организма.
Этот способ деления клеток необходим для процессов бесполого размножения и регенерации (восстановления) поврежденных тканей, а также органов.
Мейоз, в свою очередь, обеспечивает постоянство кариотипа при половом размножении, так как уменьшает вдвое набор хромосом перед половым размножением, который затем восстанавливается в результате оплодотворения. Кроме того, мейоз приводит к появлению новых комбинаций родительских генов благодаря кроссинговеру и случайному сочетанию хромосом в дочерних клетках. Благодаря этому потомство получается генетически разнообразным, что дает материал для естественного отбора и является материальной основой эволюции. Изменение числа, формы и размеров хромосом, с одной стороны, может привести к появлению различных отклонений в развитии организма и даже его гибели, а с другой - может привести к появлению особей, более приспособленных к среде обитания.
Таким образом, клетка является единицей роста, развития и размножения организмов.
антикодон, биосинтез, ген, генетическая информация, генетический код, кодон, матричный синтез, полисома, транскрипция, трансляция.
Гены, генетический код и его свойства . На Земле живет уже более 6 млрд людей. Если не считать 25-30 млн пар однояйцовых близнецов, то генетически все люди разные. Это означает, что каждый из них уникален, обладает неповторимыми наследственными особенностями, свойствами характера, способностями, темпераментом и многими другими качествами. Чем же определяются такие различия между людьми? Конечно различиями в их генотипах, т.е. наборах генов данного организма. У каждого человека он уникален, так же как уникален генотип отдельного животного или растения. Но генетические признаки данного человека воплощаются в белках, синтезированных в его организме. Следовательно, и строение белка одного человека отличается, хотя и совсем немного, от белка другого человека. Вот почему возникает проблема пересадки органов, вот почему возникают аллергические реакции на продукты, укусы насекомых, пыльцу растений и т.д. Сказанное не означает, что у людей не встречается совершенно одинаковых белков. Белки, выполняющие одни и те же функции, могут быть одинаковыми или совсем незначительно отличаться одной-двумя аминокислотами друг от друга. Но не существует на Земле людей (за исключением однояйцовых близнецов), у которых все белки были бы одинаковы.
Информация о первичной структуре белка закодирована в виде последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК – гене. Ген – это единица наследственной информации организма. Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Кодирование наследственной информации происходит с помощью генетического кода. Код подобен всем известной азбуке Морзе, которая точками и тире кодирует информацию. Азбука Морзе универсальна для всех радистов, и различия состоят только в переводе сигналов на разные языки. Генетический код также универсален для всех организмов и отличается лишь чередованием нуклеотидов, образующих гены, и кодирующих белки конкретных организмов. Итак, что же собой представляет генетический код? Изначально он состоит из троек (триплетов) нуклеотидов ДНК, комбинирующихся в разной последовательности. Например, ААТ, ГЦА, АЦГ, ТГЦ и т.д. Каждый триплет нуклеотидов кодирует определенную аминокислоту, которая будет встроена в полипептидную цепь. Так, например, триплет ЦГТ кодирует аминокислоту аланин, а триплет ААГ – аминокислоту фенилаланин. Аминокислот 20, а возможностей для комбинаций четырех нуклеотидов в группы по три – 64. Следовательно, четырех нуклеотидов вполне достаточно, чтобы кодировать 20 аминокислот. Вот почему одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Часть триплетов вовсе не кодирует аминокислоты, а запускает или останавливает биосинтез белка. Собственно кодом считается последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК , ибо она снимает информацию с ДНК (процесс транскрипции) и переводит ее в последовательность аминокислот в молекулах синтезируемых белков (процесс трансляции). В состав и РНК входят нуклеотиды АЦГУ. Триплеты нуклеотидов и-РНК называютсякодонами . Уже приведенные примеры триплетов ДНК на и-РНК будут выглядеть следующим образом – триплет ЦГТ на и-РНК станет триплетом ГЦА, а триплет ДНК – ААГ – станет триплетом УУЦ. Именно кодонами и-РНК отражается генетический код в записи. Итак, генетический код триплетен, универсален для всех организмов на земле, вырожден (каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном). Между генами имеются знаки препинания – это триплеты, которые называются стоп-кодонами. Они сигнализируют об окончании синтеза одной полипептидной цепи. Существуют таблицы генетического кода, которыми нужно уметь пользоваться, для расшифровки кодонов и-РНК и построения цепочек белковых молекул .
Биосинтез белка – это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах. Генетическая информация, снятая с ДНК и переведенная в код молекулы и-РНК, должна реализоваться, т.е. проявиться в признаках конкретного организма. Эти признаки определяются белками. Биосинтез белков происходит на рибосомах в цитоплазме. Именно туда поступает информационная РНК из ядра клетки. Если синтез и-РНК на молекуле ДНК называется транскрипцией , то синтез белка на рибосомах называется трансляцией – переводом языка генетического кода на язык последовательности аминокислот в белковой молекуле. Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК. Эти РНК имеют форму клеверного листа. На конце молекулы есть площадка для прикрепления аминокислоты, а на вершине – триплет нуклеотидов, комплементарный определенному триплету – кодону на и-РНК. Этот триплет называется антикодоном. Ведь он расшифровывает код и-РНК. В клетке т-РНК всегда столько же, сколько кодонов, шифрующих аминокислоты.
Рибосома движется вдоль и-РНК, смещаясь при подходе новой аминокислоты на три нуклеотида, освобождая их для нового антикодона. Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной аминокислоты оказывается рядом с аминогруппой другой аминокислоты. В результате между ними образуется пептидная связь. Постепенно формируется молекула полипептида.
Синтез белка продолжается до тех пор, пока на рибосоме не окажется один из трех стоп-кодонов – УАА, УАГ, или УГА.
После этого полипептид покидает рибосому и направляется в цитоплазму. На одной молекуле и-РНК находятся несколько рибосом, образующих полисому . Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых полипептидных цепей.
Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.
Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до 60 тыс. пептидных связей.
Реакции матричного синтеза . К реакциям матричного синтеза относят репликацию ДНК, синтез и-РНК на ДНК (транскрипцию ), и синтез белка на и-РНК (трансляцию ), а также синтез РНК или ДНК на РНК вирусов.
Репликация ДНК . Структура молекулы ДНК, установленная Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г., отвечала тем требованиям, которые предъявлялись к молекуле-хранительнице и передатчику наследственной информации. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей. Эти цепи удерживаются слабыми водородными связями, способными разрываться под действием ферментов.
Молекула способна к самоудвоению (репликации), причем на каждой старой половине молекулы синтезируется новая ее половина. Кроме того, на молекуле ДНК может синтезироваться молекула и-РНК, которая затем переносит полученную от ДНК информацию к месту синтеза белка. Передача информации и синтез белка идут по матричному принципу, сравнимому с работой печатного станка в типографии. Информация от ДНК многократно копируется. Если при копировании произойдут ошибки, то они повторятся во всех последующих копиях. Правда, некоторые ошибки при копировании информации молекулой ДНК могут исправляться. Этот процесс устранения ошибок называется репарацией . Первой из реакций в процессе передачи информации является репликация молекулы ДНК и синтез новых цепей ДНК.
Репликация – это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый под контролем ферментов. На каждой из цепей ДНК, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.
Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерним, что в норме и происходит при делении соматических клеток.
Транскрипция – это процесс снятия информации с молекулы ДНК, синтезируемой на ней молекулой и-РНК. Информационная РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности. Как и в любой другой биохимической реакции в этом синтезе участвует фермент. Он активирует начало и конец синтеза молекулы и-РНК. Готовая молекула и-РНК выходит в цитоплазму на рибосомы, где происходит синтез полипептидных цепей. Процесс перевода информации, содержащейся в последовательности нуклеотидов и-РНК, в последовательность аминокислот в полипептиде называется трансляцией .
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть А
А1. Какое из утверждений неверно?
1) генетический код универсален
2) генетический код вырожден
3) генетический код индивидуален
4) генетический код триплетен
А2. Один триплет ДНК кодирует:
1) последовательность аминокислот в белке
2) один признак организма
3) одну аминокислоту
4) несколько аминокислот
А3. «Знаки препинания» генетического кода
1) запускают синтез белка
2) прекращают синтез белка
3) кодируют определенные белки
4) кодируют группу аминокислот
А4. Если у лягушки аминокислота ВАЛИН кодируется триплетом ГУУ, то у собаки эта аминокислота может кодироваться триплетами (см. таблицу):
1) ГУА и ГУГ 3) ЦУЦ и ЦУА
2) УУЦ и УЦА 4) УАГ и УГА
А5. Синтез белка завершается в момент
1) узнавания кодона антикодоном
2) поступления и-РНК на рибосомы
3) появления на рибосоме «знака препинания»
4) присоединения аминокислоты к т-РНК
А6. Укажите пару клеток в которой у одного человека содержится разная генетическая информация?
1) клетки печени и желудка
2) нейрон и лейкоцит
3) мышечная и костная клетки
4) клетка языка и яйцеклетка
А7. Функция и-РНК в процессе биосинтеза
1) хранение наследственной информации
2) транспорт аминокислот на рибосомы
3) передача информации на рибосомы
4) ускорение процесса биосинтеза
А8. Антикодон т-РНК состоит из нуклеотидов УЦГ. Какой триплет ДНК ему комплементарен?
1) ТЦГ 2) УУГ 3) ТТЦ 4) ЦЦГ
Часть В
В1. Установите соответствие между характеристикой процесса и его названием
Часть С
С1. Укажите последовательность аминокислот в молекуле белка, кодируемую следующей последовательностью кодонов: УУА – АУУ – ГЦУ – ГГА
С2. Перечислите все этапы биосинтеза белка.
Клетка – генетическая единица живого. Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции. Число хромосом и их видовое постоянство. Особенности соматических и половых клеток. Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз. Митоз – деление соматических клеток. Мейоз. Фазы митоза и мейоза. Развитие половых клеток у растений и животных. Сходство и отличие митоза и мейоза, их значение. Деление клетки – основа роста, развития и размножения организмов. Роль мейоза в обеспечении постоянства числа хромосом в поколениях
Термины и понятия, проверяемые в экзаменационной работе: анафаза, гамета, гаметогенез, деление клетки, жизненный цикл клетки, зигота, интерфаза, конъюгация, кроссинговер, мейоз, метафаза, овогенез, семенник, сперматозоид, спора, телофаза, яичник, строение и функции хромосом.
Хромосомы – структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин . Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре. Строение хромосомы лучше всего видно в метафазе митоза. Она представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид , удерживаемых центромерой в области первичной перетяжки . Диплоидный набор хромосом организма называется кариотипом . Под микроскопом видно, что хромосомы имеют поперечные полосы, которые чередуются в различных хромосомах по-разному. Распознают пары хромосом, учитывая распределение, светлых и темных полос (чередование АТ и ГЦ – пар). Поперечной исчерченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпанзе, сходный характер чередования полос в хромосомах.
Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом – 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины гетерогаметны (половые хромосомы ХУ), а женщины гомогаметны (половые хромосомы XX). У-хромосома отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей. Например, в У-хромосоме нет аллеля свертываемости крови. В результате гемофилией болеют, как правило, только мальчики. Хромосомы одной пары называются гомологичными. Гомологичные хромосомы в одинаковых локусах (местах расположения) несут аллельные гены.
Жизненный цикл клетки . Интерфаза . Митоз . Жизненный цикл клетки – это период ее жизни от деления до деления. Клетки размножаются путем удвоения своего содержимого с последующим делением пополам. Клеточное деление лежит в основе роста, развития и регенерации тканей многоклеточного организма. Клеточный цикл подразделяют на интерфазу , сопровождающуюся точным копированием и распределением генетического материала и митоз – собственно деление клетки после удвоения других клеточных компонентов. Длительность клеточных циклов у разных видов, в разных тканях и на разных стадиях широко варьирует от одного часа (у эмбриона) до года (в клетках печени взрослого человека).
Интерфаза – период между двумя делениями. В этот период клетка готовится к делению. Удваивается количество ДНК в хромосомах. Удваивается количество других органоидов, синтезируются белки, причем наиболее активно те из них, которые образуют веретено деления, происходит рост клетки.
К концу интерфазы каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые в процессе митоза станут самостоятельными хромосомами.
Митоз – это форма деления клеточного ядра. Следовательно, происходит он только в эукариотических клетках. В результате митоза каждое из образующихся дочерних ядер получает тот же набор генов, который имелародительская клетка. В митоз могут вступать как диплоидные, так и гаплоидные ядра. При митозе получаются ядра той же плоидности, что и исходное. Митоз состоит из нескольких последовательных фаз.
Профаза . К разным полюсам клетки расходятся удвоенные центриоли. От них к центромерам хромосом протягиваются микротрубочки, образующие веретено деления. Хромосомы утолщены и каждая хромосома состоит из двух хроматид.
Метафаза . В этой фазе хорошо видны хромосомы, состоящие из двух хроматид. Они выстраиваются по экватору клетки, образуя метафазную пластинку.
Анафаза . Хроматиды расходятся к полюсам клетки с одинаковой скоростью. Микротрубочки укорачиваются.
Телофаза . Дочерние хроматиды подходят к полюсам клетки. Микротрубочки исчезают. Хромосомы деспирализуются и снова приобретают нитевидную форму. Формируются ядерная оболочка, ядрышко, рибосомы.
Цитокинез – процесс разделения цитоплазмы. Клеточная мембрана в центральной части клетки втягивается внутрь. Образуется борозда деления, по мере углубления которой клетка раздваивается.
В результате митоза образуются два новых ядра с идентичными наборами хромосом, точно копирующими генетическую информацию материнского ядра.
В опухолевых клетках ход митоза нарушается.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть А
А1. Хромосомы состоят из
1) ДНК и белка 3) ДНК и РНК
2) РНК и белка 4) ДНК и АТФ
А2. Сколько хромосом содержит клетка печени человека?
1) 46 2) 23 3) 92 4) 66
А3. Сколько нитей ДНК имеет удвоенная хромосома
1) одну 2) две 3) четыре 4) восемь
А4. Если в зиготе человека содержится 46 хромосом, то сколько хромосом содержится в яйцеклетке человека?
1) 46 2) 23 3) 92 4) 22
А5. В чем заключается биологический смысл удвоения хромосом в интерфазе митоза?
1) В процессе удвоения изменяется наследственная информация
2) Удвоенные хромосомы лучше видны
3) В результате удвоения хромосом наследственная информация новых клеток сохраняется неизменной
4) В результате удвоения хромосом новые клетки содержат вдвое больше информации
А6. В какой из фаз митоза происходит расхождение хроматид к полюсам клетки? В:
1) профазе 3) анафазе
2) метафазе 4) телофазе
А7. Укажите процессы, происходящие в интерфазе
1) расхождение хромосом к полюсам клетки
2) синтез белков, репликация ДНК, рост клетки
3) формирование новых ядер, органоидов клетки
4) деспирализация хромосом, формирование веретена деления
А8. В результате митоза возникает
1) генетическое разнообразие видов
2) образование гамет
3) перекрест хромосом
4) прорастание спор мха
А9. Сколько хроматид имеет каждая хромосома до ее удвоения?
1) 2 2) 4 3) 1 4) 3
А10. В результате митоза образуются
1) зигота у сфагнума
2) сперматозоиды у мухи
3) почки у дуба
4) яйцеклетки у подсолнечника
Часть В
В1. Выберите процессы, происходящие в интерфазе митоза
1) синтез белков
2) уменьшение количества ДНК
3) рост клетки
4) удвоение хромосом
5) расхождение хромосом
6) деление ядра
В2. Укажите процессы, в основе которых лежит митоз
1) мутации 4) образование спермиев
2) рост 5) регенерация тканей
3) дробление зиготы 6) оплодотворение
ВЗ. Установите правильную последовательность фаз жизненного цикла клетки
А) анафаза В) телофаза Д) метафаза
Б) интерфаза Г) профаза Е) цитокинез
Часть С
С1. Что общего между процессами регенерации тканей, ростом организма и дроблением зиготы?
С2. В чем заключается биологический смысл удвоения хромосом и количества ДНК в интерфазе?
Мейоз . Мейоз – это процесс деления клеточных ядер, приводящий к уменьшению числа хромосом вдвое и образованию гамет. В результате мейоза из одной диплоидной клетки (2n) образуется четыре гаплоидные клетки (n).
Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым в интерфазе предшествует однократная репликация ДНК.
Основными событиями профазы первого деления мейоза являются следующие:
– гомологичные хромосомы объединяются по всей длине или, как говорят, конъюгируют. При конъюгации образуются хромосомные пары – биваленты;
– в результате образуются комплексы, состоящие из двух гомологичных хромосом или из четырех хроматид (подумайте, для чего это нужно?) ;
– в конце профазы происходит кроссинговер (перекрест) между гомологичными хромосомами: хромосомы обмениваются между собой гомологичными участками. Именно кроссинговер обеспечивает разнообразие генетической информации, получаемой детьми от родителей.
В метафазе I хромосомы выстраиваются по экватору веретена деления. Центромеры обращены к полюсам.
Анафаза I – нити веретена сокращаются, гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, расходятся к полюсам клетки, где формируются гаплоидные наборы хромосом (2 набора на клетку). На этой стадии возникают хромосомные рекомбинации, повышающие степень изменчивости потомков.
Телофаза I – формируются клетки с гаплоидным набором хромосом и удвоенным количеством ДНК. Формируется ядерная оболочка. В каждую клетку попадает 2 сестринские хроматиды, соединенные центромерой.
Второе деление мейоза состоит из профазы II, метафазы II, анафазы II, телофазы II и цитокинеза.
Биологическое значение мейоза заключается в образовании клеток, участвующих в половом размножении, в поддержании генетического постоянства видов, а также в спорообразовании у высших растений. Мейотическим путем образуются споры мхов, папоротников и некоторых других групп растений. Мейоз служит основой комбина– тивной изменчивости организмов. Нарушения мейоза у человека могут привести к таким патологиям, как болезнь Дауна, идиотия и др.
Видеоурок 2:
Генетический код. Трансляция
Лекция: Генетическая информация в клетке
Генетическая информация
Генетическая информация – важнейший признак организма, определяющий все его качества – внешний вид, химическую структуру, жизненные циклы и приспособленность к среде обитания.
Единицей этой информации является ген – часть молекулы ДНК, в которой записана структура одного белка.
Каждый живой организм синтезирует собственные белки, которые управляют им, обеспечивают скорость химических реакций в клетках, защищают, переносят необходимые вещества. Жизнь недаром называется белковой формой существования материи.
Основными свойствами генетической информации являются:
ее уникальность для каждого организма (кроме размножающихся бесполыми способами);
возможность ее изменения путем мутаций и комбинирования геномов при половом размножении;
возможность ее реализации путем синтеза белков.
Генетический код
Генетическая информация распространяется от ДНК к РНК и далее к синтезу белков, в настоящее время наука не знает примеров обратной передачи, кроме некоторых вирусов и раковых клеток.
На одной молекуле ДНК записана информация о сотнях тысяч белков. На сегодня наука оценивает количество наследственной информации человека в 30 тыс. генов. Каждый ген кодирует один белок. Информация на нити ДНК записана самой последовательностью нуклеотидов.
В синтезе белков используются 20 аминокислот, каждая из которых кодируется последовательностью из трех азотистых оснований нити ДНК, называемой триплетом. К 1965 году ученые расшифровали генетический код. Оказалось, что существует 61 триплет для кодировки аминокислот и 3 стоп-триплета, которые означают конец гена. Многим аминокислотам соответствует по нескольку триплетов.
Свойствами генетического кода являются :
Непрерывность . Молекула ДНК является однородной, состоящей только из нуклеотидов на всей своей длине. Роль знаков препинания при переходе от одного гена к другому играют стоп-триплеты.
Триплетность . Информационной единицей кода является порядок из трех нуклеотидов.
Однозначность . Каждому кодону (триплету) соответствует конкретная аминокислота.
Избыточность или вырожденность – одной аминокислоте соответствует несколько триплетов.
Универсальность. Геном работает абсолютно одинаково у всех живых организмов.
Транскрипция и трансляция белка
Синтез белков – это сложный многоэтапный процесс, основными его этапами являются:
транскрипция – считывание и копирование гена в структуру информационной РНК;
трансляция – использование и-РНК в качестве матрицы, по которой собирается молекула белка.
Транскрипция происходит в ядре – фермент РНК-полимераза присоединяется к специальному участку ДНК, который называется «промотор» и начинает двигаться по нему.
При этом двойная спираль расплетается перед полимеразой на расстояние примерно 18 нуклеотидов, а затем снова сплетается позади нее. Двигаясь вдоль цепочки ДНК, РНК-полимераза собирает по принципу комплементарности молекулу информационной или матричной РНК. Длина цепочки мРНК может достигать почти 2,5 млн нуклеотидов. Процесс транскрипции заканчивается, когда РНК-полимераза встречает участок цепи ДНК, названный «терминатором».
Когда молекула мРНК собрана, она подвергается «созреванию» – метилированию, удалению некодирующих белок участков молекулы (процесс назван сплайсингом). После этого зрелая мРНК выходит через поры ядра в цитоплазму и с помощью специальных белков транспортируется к рибосомам.
Рибосома – это нуклеопротеид, комплекс, содержащий рибосомную РНК в виде магниевой ее соли и белок.
Матричная РНК присоединяется к рибосоме. Рибосома распознает последовательности нуклетидов по трое – считывает кодон, тут же выбирая подходящую аминокислоту из молекул, доставленных транспортной РНК. Рибосома двигается вдоль матричной РНК, подбирая и соединяя нужные молекулы и создавая таким образом цепочки аминокислот, которые являются первичной структурой белка.
Нуклеиновые кислоты являются важнейшей частью жизни. Их синтез различается в зависимости от типа НК.
ДНК синтезируется на начальном этапе деления клетки, когда двойная ее спираль раскручивается. Специальные белки удерживают ее нити в полностью или частично разведенном состоянии. В местах образования репликационной вилки активизируется специальный тип РНК-полимеразы, создающей начальные участки молекулы, которые потом передаются ДНК-полимеразе – ферменту, комплементарно дополняющему участки цепи ДНК. Этот фермент достраивает недостающую половину двойной молекулы, создавая вторую цепочку ДНК. В этом же время другая молекула фермента строит зеркально недостающую цепочку на второй из разведенных цепочек ДНК.
Разные виды РНК создаются РНК-полимеразами различных типов:
матричная – в ядре, на участках молекулы ДНК;
рибосомная – в ядрышке (которое является молекулярным комплексом из белков и рибонуклеопротеидов, находящимся на некоторых участках ДНК);
транспортная – в нуклеоплазме.
Все виды РНК синтезируются по матричному принципу на участках ДНК.
| | |
- ДНК – матрица синтеза белков
- Удвоение ДНК. Ход образования и-РНК.
- Генетический код и его свойства.
1. ДНК - матрица для синтеза белков . Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки в расположении аминокислот? Почему в эритроцитах больных серповидноклеточной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном и том же месте?
Для ответа на эти вопросы обратимся к примеру с книгопечатанием. Учебник, который вы держите в руках, издан тиражом п экземпляров. Все п книг отпечатаны с одного шаблона - типографской матрицы, поэтому они совершенно одинаковы. Если бы в матрицу вкралась ошибка, то она была бы воспроизведена во всех экземплярах. Роль матрицы в клетках живых организмов выполняют молекулы ДНК. ДНК каждой клетки несет информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки (вспомните эритроцит), но и о всех белках-ферментах, белках-гормонах и других белках.
Углеводы и липиды образуются в клетке в результате сложных химических реакций, каждая из которых катализируется своим белком-ферментом. Владея информацией о ферментах, ДНК программирует структуру и других органических соединений, а также управляет процессами их синтеза и расщепления.
Поскольку молекулы ДНК являются матрицами для синтеза всех белков, в ДНК заключена информация о структуре и деятельности клеток, о всех признаках каждой клетки и организма в целом.
Каждый белок представлен одной или несколькими полимерными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т. е. в большинстве случаев одного белка, называют геном. Каждая молекула ДНК содержит множество разных генов. Всю информацию, заключенную в молекулах ДНК, называют генетической. Идея о том, что генетическая информация записана на молекулярном уровне и что синтез белков идет по матричному принципу, впервые была сформулирована еще в 20-х годах выдающимся отечественным биологом Н. К. Кольцовым.
2. Удвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают поразительным свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, - способностью к удвоению. Что представляет собой процесс удвоения? Вы помните, что двойная спираль ДНК построена по принципу комплементарности. Этот же принцип лежит в основе удвоения молекул ДНК. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, нити расходятся, и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплементарные нуклеотиды. Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными - они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплементарные каждой из разошедшихся цепей. Таким образом, в результате удвоения создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из них имеет одну нить, полученную от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.
Дочерние молекулы ДНК ничем не отличаются друг от друга и от материнской молекулы. При делении клетки дочерние молекулы ДНК расходятся по двум образующимся клеткам, каждая из которых вследствие этого будет иметь ту же информацию, которая содержалась в материнской клетке. Так как гены - это участки молекул ДНК, то две дочерние клетки, образующиеся при делении, имеют одинаковые гены.
Каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, поэтому все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах миллионов ее потомков. Вот почему все эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково «испорченный» гемоглобин. Дети, больные анемией, получают «испорченный» ген от родителей через их половые клетки. Информация, заключенная в ДНК клеток (генетическая информация), передается не только из клетки в клетку, но и от родителей к детям. Ген является единицей генетической, или наследственной, информации.
Трудно, глядя на типографскую матрицу, судить о том, хорошая или плохая книга будет по ней напечатана. Невозможно судить и о качестве генетической информации по тому, «хороший» или «плохой» ген получили потомки по наследству, до тех пор, пока на основе этой информации не будут построены белки и не разовьется целый организм.
Ход образования и-РНК. К рибосомам, местам синтеза белков, из ядра поступает несущий информацию посредник, способный пройти через поры ядерной оболочки. Таким посредником является информационная РНК (и-РНК). Это одноцепочечная молекула, комплементарная одной нити молекулы ДНК. Специальный фермент - полимераза, двигаясь по ДНК, подбирает по принципу комплементарности нуклеотиды и соединяет их в единую цепочку (рис. 21). Процесс образования и-РНК называется транскрипцией (от лат. «транскрипцио» - переписывание). Если в нити ДНК стоит тимин, то полимераза включает в цепь и-РНК аденин, если стоит гуанин - включает цитозин, если аденин - то урацил (в состав РНК не входит тимин).
По длине каждая из молекул и-РНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК - копия не всей молекулы ДНК, а только части ее, одного гена или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такая группа генов называется опероном. В начале каждой группы генов находится своего рода посадочная площадка для полимеразы, называемая промотором. Это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент «узнает» благодаря химическому сродству. Только присоединившись к промотору, полимераза способна начать синтез и-РНК. В конце группы генов фермент встречает сигнал (в виде определенной последовательности нуклеотидов), означающий конец переписывания. Готовая и-РНК отходит от ДНК, покидает ядро и направляется к месту синтеза белков - рибосоме, расположенной в цитоплазме клетки.
В клетке генетическая информация передается благодаря транскрипции от ДНК к белку:
ДНК-и-РНК-белок.
3. Генетический код - определенные сочетания нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК.\
Ген - участок молекулы ДНК, несущий информацию о структуре одной молекулы белка.
Свойства генетического кода:
- триплетность - одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами - триплетом, или ко доном;
- универсальность - код един для всего живущего на Земле (у мха, сосны, амебы, человека, страуса и пр. одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты);
- вырожденность - одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов (от двух до шести). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом (метионин кодируется триплетом АУГ);
- специфичность - каждый триплет кодирует только одну аминокислоту.
Триплеты ГАА или ГАГ, занимающие шестое место в гене здоровых людей, несут информацию о цепи гемоглобина, кодируя глутаминовую кислоту. У больных серповидноклеточной анемией второй нуклеотид заменен на У, а триплеты ГУА и ГУГ кодируют валин;
- неперекрываемость - кодоны одного гена не могут одновременно входить в соседний;
- непрерывность - в пределах одного гена считывание генетической информации происходит в одном направлении.