Цитология. Размножение организмов. Онтогенез

1. Уровни организации жизни на Земле

Несмотря на огромное многообразие форм проявлений жизни, ученые выделяют несколько уровней ее организации. Каждый уровень организации жизни характеризуется специфическими элементарными структурами и специфическими элементарными явлениями.

Молекулярно-генетический уровень

На этом уровне наблюдается удивительное однообразие структур и явлений. Белки всех живых организмов построены из 20 одних и тех же аминокислот. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), углеводы и липиды также имеют у всех живых организмов сходное строение.

Единицей наследственной информации является ген – определенная последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Специфические элементарные явления этого уровня: самоудвоение (репликация) молекулы ДНК, изменение строения молекулы ДНК (мутация), способность передачи информации с помощью матричного синтеза.

Клеточный уровень

Элементарной структурой является клетка, а элементарными явлениями – реакции клеточного обмена веществ.

Онтогенетический уровень

Элементарной структурной единицей является отдельная особь, или организм. Организм рассматривается на протяжении всего периода его существования (онтогенеза).

Элементарное специфическое явление – процесс реализации наследственной информации, закодированной в молекулах ДНК, в признаки и свойства отдельной особи, протекающий в определенных условиях окружающей среды (процесс превращения генотипа в фенотип).

Популяционно-видовой уровень

Элементарной единицей этого уровня является популяция. Популяция – форма существования любого вида.

В качестве элементарного специфического явления на этом уровне выступает элементарное эволюционное явление – длительное изменение генотипического состава (генофонда) популяции, которое возникает в результате действия на популяцию элементарных эволюционных факторов: естественного отбора, популяционных волн, изоляции, мутационного процесса, дрейфа генов.

Биогеоценотический уровень

Элементарной специфической единицей этого уровня является биогеоценоз – исторически сложившееся на определенной территории сообщество животных и растительных организмов, тесно взаимодействующее с окружающей его средой.

Элементарные специфические явления – круговорот веществ и превращение энергии в биогеоценозах.

Биосферный (глобальный) уровень

Этот уровень объединяет все предыдущие уровни. Все круговороты веществ отдельных биогеоценозов составляют единый глобальный круговорот веществ.

2. Строение и функции органелл эукариотической клетки

Ядро – форма и размеры зависят от формы и функций клетки.

Составные части:

1)ядерная оболочка - наружная и внутренняя. мембраны, между - перинуклеарное пр-во. Наружная мембрана соединена с каналами эпс. Мембраны пронизаны ядерными порами, через которые вещ-во проникает из ядра в цитоплазму и обратно.

2)ядерный сок (кариолимфа, кариоплазма) – содержит ферменты, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот и рибосом.

3)ядрышки (1 или 2) – не постоянные структуры, исчезают в начале деления и исчезают к его концу. Содержат кислые белки и рнк. Образование связано с хромосомами, имеющими участок – «ядрышковый организатор».

4)хромосомы имеют различную форму, имеют перетяжку, называемую центромерой (различают метацентрические, субметацентрические, акроцентрические, телоцентрические), могут находится в 2-х состояниях:

- конденсированном (спирализованном) – ко времени деления клетки;

- деконденсированном (деспирализованном) – в неделящихся клетках, рабочее состояние

хроматин – окрашиваемое вещество, видное под микроскопом, комплекс ДНК, некоторого количества РНК и белков:

-гистоновых (основные, положительно заряженные при нейтральном рН), количество равно количеству ДНК. Вовлечены в регуляцию экспрессии генов.

-негистоновых (кислые)-гетерогенные белки, принимают участие в регуляции экспрессии.

Гетерохроматин – интенсивно окрашивающийся, в половых хромосомах, в районах повторов отдельх последователоьностей ДНК, в районах, фланкирующих центромеры.Сост из плотно упакованных хроматиновых нитей. Генетически не активен.

Эухроматин – окрашивающийся слабее, образован менее плотно упакованными нитями. Генетически активен.

Каждая хромосома содержит двухцепочечную молеулу ДНК, кот занимает всю её длину.

Основная структурная субединица хроматина – нуклеосома – нить ДНК, намотанная вокруг гистоновой нити.

Функции: -хранение, воспроизведение, передача, реализация наследственной информации

-синтез рибосом из субъединиц

Митохондрии – органоиды бобовидной формы. Образованы 2-мя мембранами. Содержат белки, фосфолипиды, РНК, ДНК, рибосомы. Внутренняя мембрана имеет выросты – кристы, делящие митохондрию на отсеки, заполненные матриксом. Днк отличается от ядерной по своему составу и иногда имеет форму кольца, как у прокариот.

Функции: - окисление с последующим превращением энергии разлагаемых соединений в энергию фосфатных связей (АТФ и АДФ).

- рибосомы (меньше цитоплазматических по размеру) осуществляют синтезе белка

- размножение путём перешнуровки

Пластиды – характерен для клеток растений, отсутствует у животных, грибов, бактерий и сине-зелёных водорослей. Содержат ДНК, хлорофилл. Ранние стадии – пропластиды – сходны с митохондриями, имеющими малое число крист.

Функции: протекание многих метаболических процессов; в лейкопластах – накопление крахмала; в хромопластах – синтезе пигмента; в хроматофорах и хлоропластах – преобразование солнечной энергии в энергию химических связей.

Комплекс Гольджи – построен из 1мембраны, в состав входит система трубочек с пузырьками на концах.

Функции: концентрация, обезвоживание и уплотнение продуктов внутриклеточной секреции и веществ, поступивших извне, предназначенных для выведения из клетки. С ним связаны синтез полисахаридов, липидов, образование зёрен желтка, формирование лизосом, образование борозды деления.

Эндоплазматическая сеть (вакуолярная система) – система мембран, формирующая сеть канальцев и цистерн.

Функции: увеличивает площадь «внутрених поверхностей» клетки, делит её на отсеки, обеспечивает изоляцию ферментных систем. Непосредственное продолжение – ядерная мембрана и плазмолемма.

Участвует в активном перемещении веществ как внутренних, так и поступающих извне.

Гранулярная – несёт рибосомы, синтез белков.

Гладкая – не имеет рибосом, синтез жиров и гликогена

Лизосомы – шаровидная форма, содержат ферменты, разрушающие сложные органич. соединения, микроорганизмы и вирусы, отмершие структуры клетки и целые погибшие клетки. Имеет плотную мембрану.

Группы: - прелизосомы (сод. в-ва, подлеж. перевариванию, но не содержат ферментов)

- собственно лизосомы: а)первичные (сод. вновь синтезированные ферменты)

б)вторичные (слияние первичных с перилизосомами) – аутосомы и гетерофагосомы.

- постлизосомы (остатки непереваренного субстрата)

Рибосомы – небольшие сферические тельца. Расположены в цитоплазме и на мембране эпс. В составе – белок и р-РНК. Сост из 2-х субъединиц. Обычно объединены в группы – полисомы. Формируются ядрышками, а затем поступают в цитоплазму.

Функции: синтез белка

Клеточный центр (центросома) – сост из 1 или 2 центриолей и лучистой сферы вокруг них. Центриоль – цилиндр, стенки которого состоят из 9 параллельно расположенных трубочек.

Функции: центриоли формируют полюсы делящейся клетки.

Микротрубочки – длинные тонкие цилиндры, формируются в результате полимеризации тубулина, содержат фермент атф-азу.

Функции: в делящихся клетках – образуют нити веретена деления, входят в состав ресничек и жгутиков, играют опорную роль, образуют цитоскелет, участвуют в транспорте воды, ионов и некоторых молекул.

3. Основные структурные компоненты эукариотической клетки: наружная мембрана, цитоплазма, ядро (строение и функции).

Плазмолемма. Барьерно-рецепторная и транспортная система клетки.

Плазмолемма, или внешняя клеточная мембрана, среди различных клеточных мембран занимает особое место. Это поверхностная периферическая структура, не только ограничиваю­щая клетку снаружи, но и обеспечивающая ее непосредственную связь с внеклеточной средой, а, следовательно, и со всеми вещест­вами и стимулами, воздействующими на клетку.

Химический состав плазмолеммы. Основу плазмолеммы состав­ляет липопротеиновый комплекс. Она имеет толщину около 10 нм и, таким образом, является самой толстой из клеточных мембран.

Снаружи от плазмолеммы располагается надмембранный слой — гликокаликс. Толщина этого слоя около 3— 4 нм, он обнаружен практически у всех животных клеток, но степень его выраженности различна. Гликокаликс представляет собой ассоциированный с плазмолеммой гликопротеиновый комп­лекс, в состав которого входят различные углеводы. Углеводы образуют длинные, ветвящиеся цепочки полисахаридов, связанные с белками и липидами входящими в состав плазмолеммы. При использовании специальных методов выявления полисахаридов (краситель рутениевый красный) видно, что они образуют как бы чехол поверх плазматической мембраны.

В гликокаликсе могут располагаться белки, не связанные непо­средственно с билипидным слоем. Как правило, это белки-фермен­ты, участвующие во внеклеточном расщеплении различных ве­ществ, таких как углеводы, белки, жиры и др.

Функции плазмолеммы.

1)защитно-барьерная

2)рецепторно-сигнальная

3)каталитическая(ферментативная)

4)образование цитоскелета

5)образование межклеточных контактов

6)транспортная (1транспорт сквозь мембрану:пассивный,активный;2транспорт в мембранной упаковке:эндоцитоз, экзоцитоз)

Цитоплазма

Цитоплазма, отделенная от окружающей среды плазмолеммой, включает в себя гиалоплазму, находящиеся в ней обязательные клеточные компоненты — органеллы, а также различ­ные непостоянные структуры — включения.

Гиалоплазма

Гиалоплазма — водный раствор органических и неорганических веществ, способный изменять свою вязкость и находящийся в постоянном движении. Гиалоплазма способна переходить из более твердого состояния (гель) в более жидкое (золь). В растительных клетках гиалоплазма способна к движению – циклоз (круговой и струйчатый)

Функции: 1) обьединяет все компоненты клетки в единую систему

2)обеспечивает транспорт органелл, веществ, газов внутри клетки

3)служит местом для протекания химических реакций

Ядро клетки — система генетической детерминации и регуляции белкового синтеза. Форма ядра округлая, овальная, шаровидная, иногда сегментирована. В клетке может содержаться от 1 до нескольких ядер. Ф:хранение,реализация,передача насл.инф, контроль всех биохимических процессов в клетке, контроль процесса роста, развития и старения клетки

Состоит из:

1)кариолемма: имеет 2 мембраны:наружная соединяется с каналапи ЭПС. Между наружной и внутренней мембранами расстилается околоядерное пространство. Оболочка пронизана порами, в которых находятся белки, регулирующие транспорт веществ из ядра и в ядро.

2)кариолемма – коллоидный раствор, напоминающий гиалоплазму, но более кислый и содержащий больше ферментов(связующая, место для протекания хим реакции(редупликация ДНК, транскрипция)

3)хроматин –форма существования интерфазных хромосом. Хим состав: ДНК, белки(гистоновые, негистоновые), РНК, у/в, липиды, ионы металлов. Функция: хранение, реализация и передача наследственной информации.

4)ядрышко-небольшое округлое тельце, интенсивно окрашивающееся и обнаруживающееся в ядрах неделящихся клеток. Ф: синтех рРНК и соединение их с белками, т.е сборка субчастиц рибосом

3. Особенности морфологического и функционального строения хромосом. Гетеро - и эухроматин. Характеристика кариотипа человека в норме.

При наблюдении живых или фиксированных клеток внутри ядра выявляются зоны плотного вещества, которые хорошо воспринимают разные красители, особенно основные. Благодаря такой способ­ности хорошо окрашиваться этот компонент ядра и получил назва­ние “хроматин”. В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. Такими же свойствами

обладают и хромосомы, которые отчетливо видны во время митотического деления клеток. В неделящихся (интерфазных) клетках хроматин, выявляемый в световом микроскопе, может более или менее равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными глыбками.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, которые, однако, теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной. Зоны полной деконденсации и их участков морфологи называют эухроматином. При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина, иногда называемого гетерохроматином. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных хромосом. В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функций, в них не происходит включения предшественников ДНК и РНК.

Таким образом, хромосомы клеток могут находиться в двух струк­турно-функциональных состояниях: в активном, рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интер­фазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации, и в неактивном, в состоянии метаболического покоя при максималь­ной их конденсированности, когда они выполняют функцию распре­деления и переноса генетического материала в дочерние клетки.

В хромосомах существует множество мест независимой репликации ДНК — репликонов. ДНК эукариотических хромосом представ­ляют собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера. Синтез ДНК как на участках отдельной хромосомы, так и среди разных хромосом идет неодновременно, асинхронно. Так, например, в некоторых хромосомах че­ловека (1, 3, 16) репликация наиболее интенсивно начинается на концах хромосом и заканчивается (при высокой интенсивности включения метки) в центромерном районе. Наиболее поздно репликация заканчивается в хромосомах или в их участках, находящихся в компактном, конденсированном состоянии. Таким примером может являться поздняя репликация генетически инактивированной Х-хромосомы у женщин, формирующей в клеточном ядре компактное тельце полового хроматина. Диплоидный набор хромосом клетки, характеризующийся их числом, величиной и формой, называется кариотипом (греч. karyon — ядро, typhe— форма). Этот термин введен в 1924 г. советским цитологом Г. А. Левитским. Нормальный кариотип человека включает 46 хромосом, или 23 пары; из них 22 пары аутосом и одна пара — половых хромосом (гетерохро­мосом).

Для изучения кариотипа человека обычно используют клетки костного мозга и культуры фибробластов или лейкоцитов периферической крови, так как эти клетки легче всего получить. При приготовлении препаратов хромо-1 сом к культуре клеток добавляют колхицин, останавливающий деление кле­ток на стадии метафазы. Затем клетки обрабатывают гипотоническим рас­твором, отделяющим хромосомы друг от друга, после чего их фиксируют и окрашивают.

Благодаря такой обработке каждая хромосома четко видна в световом микроскопе. Длина хромосом колеблется ,от 2,3 до 11 мкм.

Для того чтобы легче было разобраться в сложном комплексе хромосом, составляющем кариотип, их располагают в виде и д и о г р а м м ы (от греч. idios— своеобразный, gramme— запись). Составление идиограмм, как и сам термин, предложено советским цитологом С. Г. Навашиным (1857---1930). В идиограмме хромосомы располагаются попарно в порядке убывающей величины (рис. 15). Исключение делается для половых хромосом, которые выделяются особо. Наиболее крупной паре хромосом присвоен № 1, сле­дующей — № 2 и т. д. Самая маленькая пара хромосом человека № 22. Как видно на идиограмме, пару половых хромосом женщины составляют две одинаковые крупные хромосомы, названные Х-хромосомами. У мужчин одна Х-хромосома такая же, как у женщин, а 'другая"— гораздо меньшая, У-хромосома.

Идентификация хромосом только по величине встречает большие затруднения: ряд хромосом имеет сходные размеры. Однако в последнее время разработаны новые методики для анализа хромосом: использование флюоресцент­ных красителей, окрашивание хромосом после специальной обработки краской Гимзы (названной так по имени автора) и применение других красителей. , Ними методами установлена четкая дифференцировка хромосом человека по их длине на красящиеся специальными методами и не красящиеся поло­сы. Рисунок этих полос строго специфичен, индивидуален для каждой пары хромосом (рис. 16). Умение точно дифференцировать хромосомы имеет боль­шое значение для медицинской генетики, так как позволяет точно установить характер нарушений в кариотипе пациента.

Постоянство числа, индивидуальность и сложность строения, авторепродукция и непрерывность в последовательных генерациях клеток говорят о большой биологической роли хромосом. Действительно хромосомы являются носителями наследственной информации (см. главу VI).

Выяснено, что наследственная информация дискретна, ее составляют многочисленные гены, расположенные вдоль хромосом в линейном по­рядке. Каждый ген занимает постоянное, определенное место (л о к у с) в определенной хромосоме.

Гомологичные хромосомы имеют один и тот же набор генетических локусов, поэтому взаимозаменяемы. Негомологичные хромосомы имеют раз­личные наборы генетических локусов, поэтому взаимонезаменяемы. Генети­ческая информация, необходимая для развития организма, содержится толь­ко в полном комплекте всех негомологичных хромосом (т. е. в полном гапло­идном наборе хромосом).

3. Особенности строения генов у про- и эукариот. Строение хромосом в разные периоды жизненного цикла клетки.