Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биология клетки. Учебное пособие
.pdf
поток информации в окончательном виде выглядит так:
ДНК↔ДНК↔РНК→белок.
Открытие обратной транскрипции сыграло большую роль в генной
инженерии. С помощью ревертаз в микробиологической промышленности
получают важные лекарственные препараты белковой природы (интерферон, γглобулин и др.), вводя в микробную клетку иРНК человека с информацией о
строении этих белков.
Рис. 8. Строение нуклеиновых кислот.
Рис. 9. Схема репликации ДНК (половина репликона).
41
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4
ТЕМА: Молекулярные основы наследственности. Нуклеиновые кислоты.
Их роль в реализации генетической информации
Цель. Ознакомиться с организацией наследственного материала,
самовоспроизведением и реализацией наследственной информации.
Знания и навыки, полученные при изучении данной темы, необходимы
для понимания закономерностей репродукции клеток, размножения организмов
и явлений наследственности и изменчивости.
В результате изучения материала ВЫ должны ЗНАТЬ СТРОЕНИЕ
нуклеиновых кислот, их локализацию и роль белков в клетке, принцип
кодирования и реализации генетической информации в процессе биосинтеза
белка, явление обратной транскрипции, УМЕТЬ провести (схематично)
репликацию ДНК, синтез полипептидной молекулы, обратную транскрипцию,
объяснить различие в окраске ядра и цитоплазмы при гистохимическом
выявлении ДНК и РНК в клетке.
СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЗАНЯТИЯ.
1. Изучить микропрепараты:
A. Диссоциированные клетки сердца крысы. Микропрепарат. Реакция
Фѐльгена на ДНК. При большом увеличении микроскопа рассмотреть и
зарисовать кардиомиоциты. На рисунке отметить ядра клеток с
краснофиолетовыми глыбками ДНК.
B. Срез шелкоотделительной железы тутового шелкопряда.
Микропрепарат. Окраска на нуклеиновые кислоты метиловым зелѐным с
пиронином. При большом увеличении микроскопа рассмотреть и зарисовать
клетки шелкоотделительной железы, обратив внимание на различную окраску
клеточных структур. ДНК окрашена в зелѐный цвет, РНК – в розовый. На
рисунке отметить ядро, ядрышко, цитоплазму.
C. Диссоциированные клетки сердца крысы. Микропрепарат. Окраска на
нуклеиновые кислоты галлоцианином с хромовыми квасцами по Эйнарсону.
Катионы красителя, соединяясь с отрицательно заряженными группами
42
нуклеиновых кислот, дают светло-синие окрашенные комплексы. Галлоцианинхромовые квасцы являются единственным красителем, который позволяет
делать выводы о количестве обеих нуклеиновых кислот в клетках, а при
использовании рибонуклеазы и о раздельном их количестве. На рисунке
отметить ядро, ядрышко, цитоплазму.
D. Срез сердца крысы. Автограф. Метка ядер кардиомиоцитов при
многократном введении 3Н-тимидина крысе после перевязки левой коронарной
артерии. 3Н-тимидин – специфический меченый предшественник, включается в
ДНК только в момент еѐ синтеза, при большом увеличении микроскопа
рассмотреть и зарисовать меченые по 3Н-кардиомиоциты. На рисунке отметить
меченые ядра.
УИРС
УЧАСТОК одной из цепей ДНК имеет следующую последовательность
нуклеотидов: АГТАЦЦГАТАЦГЦГАТТТ. Построить (схематично):
a) комплементарную цепь ДНК
b) молекулу и-РНК, синтезированную на вновь построенной цепи ДНК
c) полипептидную цепочку по кодонам синтезированной и-РНК,
используя таблицу кода.
Программированный контроль.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВОПРОСЫ для подготовки к занятию
1.Молекулярное строение ДНК, еѐ биологическое и генетическое значение.
2.Современное представление о механизме репликации ДНК.
3.Молекулярное строение РНК, еѐ виды, локализация и роль в клетке.
4. Молекулярное строение белков, их локализация в клетке. Функции белков.
5. Механизм трансляции и элонгации в процессе биосинтеза белка.
6. Механизм транскрипции и еѐ особенности у про- и эукариот.
7. Обратная транскрипция, еѐ значение.
43
ТЕМА 5: Цитогенетические основы бесполого и полового размножения.
Виды и способы размножения организмов
Бесполое
Половое
Одноклеточные
Деление (митоз)
Шизогония
Почкование
спорообразование
Многоклеточные
Вегетативное
Спорообразование
Полиэмбриония
Одноклеточные
Конъюгация
Копуляция
С оплодотворением
Без оплодотворением
(партеногенез)
Репродукция клеток.
Размножение обеспечивает продолжение жизни, преемственность
поколений и сохранение вида. Размножение может быть бесполым и половым.
При бесполом размножении происходит деление соматических клеток одной
родительской особи. Наследственность передается через соматические клетки. При
половом размножении новый организм развивается из зиготы, которая образуется
при слиянии мужской и женской гамет. Таким образом, наследственность
передается через гаметы и комбинируется из генов отца и матери.
У некоторых организмов существует особый вид полового размножения партеногенез, при котором имеются специализированные клетки (яйцеклетки),
способные развиваться без оплодотворения (плоские черви и насекомые) и
гиногенез (сперматозоиды нужны лишь для активации яйцеклетки (некоторые
рыбы). В жизненном цикле некоторых организмов наблюдается смена полового
и бесполого вида размножений. Это явление называется метагенезом.
Особый вид бесполового размножения, который встречается и у человека
– полиэмбриония. Обычно из зиготы развивается один организм, но иногда,
после одного или нескольких митотических делений, образовавшиеся клетки
(бластопоры) могут развиваться в самостоятельные организмы. Так
развиваются генетически идентичные однояйцевые близнецы.
организмов. Процессы деления клеток находятся под строгим генетическим
контролем.
Деление клетки лежит в основе роста, развития и размножения
44
Различают следующие способы деления клеток: митоз, или кариокинез –
непрямое деление, амитоз – прямое деление, мейоз – деление развивающихся
половых клеток в процессе созревания, эндорепродукция.
Жизненный цикл клетки – это период жизни клетки от момента ее
образования путем деления материнской клетки до смерти (гибели).
Митотический цикл клетки – это период жизни клетки от одного деления
до следующего деления. Средняя длительность митотического цикла – 20
часов. Он состоит из интерфазы и митоза.
Интерфаза – это период между двумя делениями клетки. В ней различают:
1. Пресинтетический период (G1) – клетки растут, синтезируют РНК,
белки, углеводы, липиды, АТФ. Только в G1, клетки содержат 2n2c.
2. Синтетический (S). К концу этого периода содержание ДНК в ядрах
удваивается (2n4c).
3. Постсинтетический (G2). В G2 ДНК не синтезируются, но происходит
накопление энергии (АТФ), происходит синтез РНК и белков (2n4c).
Часть клеток в системе может находиться, в периоде покоя (G0) вне цикла.
Эти клетки не участвуют в пролиферации, но сохраняют способность к
размножению и при соответствующих условиях могут ее реализовать. Время,
проведенное клеткой в периоде G0, не входит в длительность митотического цикла.
Основной способ деления эукариотических клеток – митоз (греч. «митос»
- нить). Причины деления клеток: изменение соотношения скорости роста
цитоплазмы и ядра в клеточном цикле. В митозе различают четыре фазы:
1. Профаза: Хромосомы сильно спирализуются. К концу профазы ядерная
оболочка фрагментируется. Центриоли расходятся к полюсам ядра. Образуется
веретено деления (система микротрубочек) (2n4c).
2. Метафаза: Хромосомы располагаются в экватариальной плоскости. В
каждой хромосоме видны две образовавшиеся нити-хроматиды, которые
скреплены между собой центромерой (2n4c).
3. Анафаза: Хроматиды разъединяются и расходятся к полюсам (4n4c).
45
4. Телофаза: Вокруг находящихся на каждом полюсе хромосом
образуется ядерная оболочка 2(2n2c).
В результате митоза образуются дочерние клетки с таким же набором
(числом) хромосом, какой имела материнская клетка.
Амитоз – прямое деление клетки. Оно начинается с перешнуровки ядра.
Наследственный материал распределяется по дочерним клеткам неравномерно.
Часто деление цитоплазмы не происходит, и поэтому могут образовываться
многоядерные клетки.
Мейоз – это особый способ деления клеток. Он встречается у
большинства видов растений и животных, которые размножаются половым
путем. Мейоз происходит при развитии (созревании) половых клеток (гамет) –
яйцеклеток и сперматозоидов. В процессе мейоза число хромосом в гаметах
уменьшается в два раза. При оплодотворении, когда две родительские гаметы
сливаются в зиготу, число хромосом увеличивается в два раза. Мейоз
представляет собой два последовательных деления. Эти деления называются
первым и вторым мейотическими делениями.
В интерфазе I осуществляется редупликация ДНК (2n4c). Первое
мейотическое деление включает четыре фазы: профазу I, метафазу I, анафазу I,
телофазу I. В профазе I (2n4c) происходят сложные изменения. Ее разделяют на 5
последовательных стадий: лептонему, зигонему, пахинему, диплонему, диакинез.
Лептонема: Хромосомы имеют форму тонких нитей. Общее число
диплоидное.
Зигонема: Одинаковые по величине и форме (гомологичные) хромосомы
располагаются параллельно друг другу и сближаются. Этот процесс сближения
называется конъюгацией.
Пахинема: Стадия толстых нитей. Конъюгирующие хромосомы называют
бивалентами или тетрадами. Каждый бивалент состоит из четырех хроматид.
Число бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом.
Конъюгирующие хромосомы переплетаются, что приводит к обмену участками
хромосом – генами (происходит кроссинговер).
46
Диплонема: Гомологичные хромосомы отталкиваются (расходятся) друг
от друга.
Диакинез: Это заключительная стадия профазы, где биваленты хромосом
еще больше спирализуются и укорачиваются. Биваленты в это время соединены
друг с другом только в нескольких точках. Ядерная оболочка фрагментируется.
Метафаза I (2n4c): Биваленты хромосом располагаются в экватариальной
плоскости. Анафаза I: Характеризуется расхождением к полюсам не хроматид,
а целых гомологичных хромосом (центромера не делится, и хроматиды не
разъединяются). В этой фазе происходит редукция – сокращение числа
хромосом в два раза по сравнению с материнской клеткой (n2c). Деление
заканчивается телофазой I (n2c). Таким образом, в каждой дочерней клетке уже
содержится гаплоидное число хромосом, но содержание ДНК еще равно их
диплоидному набору.
В короткой интерфазе II синтеза ДНК не происходит, клетки вступают во
второе мейотическое деление (n2c). Оно также имеет четыре фазы: профазу II,
метафазу II, анафазу II, телофазу II. Во время метафазы II хромосомы
выстраиваются по экватору, центромеры делятся (n2c). В анафазе II
сестринские хроматиды направляются к противоположным полюсам (2n2c).
Деление заканчивается телофазой II (nc). После этого деления хроматиды,
попавшие в ядро дочерних клеток, называются хромосомами.
Значение мейотического деления:
1. Мейоз обеспечивает поддержание постоянства числа хромосом.
2. Мейоз обеспечивает генетическое разнообразие гамет, благодаря явлению
кроссинговера и независимому расхождению хромосом к полюсам клетки.
3. Приводит к формированию организмов с различными признаками, что
дает материал для эволюции.
Эндорепродукция связана с репродукцией генетического материала в
клетке. Различают 2 вида эндорепродукции: эндомитоз и политения. Эндомитоз
приводит к увеличению плоидности ядра, кратные «n». В результате эндомитоза
образуются полиплоидные клетки, содержащие 4n, 16n и т.д. Как результат
47
нарушения обычного прохождения митоза (сохранения ядерной оболочки в
профазе, разрушение митотического аппарат в начальной стадии анафазы).
Политения – образование гигантских политенных (многонитчатых)
хромосом. В период S ДНК многократно реплицируется, такие хромосомы
содержат сотни молекул ДНК. Биологическое значение политении –
увеличение числа идентичных генов, и как следствие, резкое увеличение
синтеза определенных белков.
Регуляция временной организации клетки
Изучены некоторые факторы и механизмы, которые изменяют временную
организацию клетки и либо способствуют делению, либо тормозят деление:
1) Ядерно-плазматические отношения (сфера влияния ядра, Я/П=1/10 в норме).
Если это соотношение уменьшается, то клетка начинает подготовку к делению.
2) Повышение концентрации в клетке предшественников ДНК способствует
переходу клетки к делению.
3) При подавлении синтеза белка и РНК процессы подготовки к делению
тормозятся.
4) Наличие в клетке белков-кейлонов тормозит переход клетки из одного
периода в другой (G1→S→ G2→митоз) на любой стадии.
5) Можно спровоцировать деление в клетках, которые в нормальных условиях
не делятся. Например, если лейкоциты периферической крови поместить в
среду с фитогемагглютинином (ФГА), то они будут делиться. Это используют
для изучения хромосомного набора – кариотипа.
Понятие о кариотипе. Структурная организация хроматина
Генетический аппарат клетки представлен хромосомами. Кариотип – это
совокупность хромосом клетки, характеризующаяся их количеством, величиной и
строением. Кариотип - признак постоянный и специфичный для вида. Количество
(набор) хромосом принято обозначать как "n". Для разных видов организмов "n" различно. Каждая соматическая клетка содержит двойной (парный) набор
хромосом - "2n". Такой набор называется диплоидным. Одинаковые хромосомы
называются гомологичными (парными). Половые клетки содержат одинарный
48
набор хромосом "n". Такой набор называется гаплоидным. У человека
соматические клетки содержат 46 хромосом (23х2), из них 44 хромосомы (22х2) –
аутосомы, одинаковые для мужского и женского пола и 2 хромосомы половые
(гетеросомы). У женщин – XX, у мужчин – XY. По химическому строению
хромосомы являются дезоксирибонуклеопротеидами (ДНП). Хромосомы
являются носителями генетической информации. В различные периоды
жизненного цикла клетки они имеют различную морфо-функциональную
организацию. Основная биологическая роль интерфазных хромосом - передача
генетической информации. Основная биологическая роль хромосом при делении равномерное распределение их между дочерними клетками. Интерфазный
хроматин находится в деспирализованном активном состоянии. На разных его
участках идут процессы транскрипции - это эухроматин. Но есть отдельные
участки хроматина, которые не транскрибируются и находятся в
конденсированном состоянии - это гетерохроматин.
Различают несколько уровней организации хроматина:
1) Расправленные нити. Эта структура состоит из 1 молекулы ДНК и молекул
гистона, расположенных параллельно. Неактивный хроматин.
2) Нуклеосомный уровень. Формируются нуклеосомы из 8 молекул гистонов и
участка молекулы ДНК (около 200 пар нуклеотидов). Хроматин укорачивается
в 7 раз. Активное состояние.
3) Нуклеомериый. Объединяются 8-10 нуклеосом, образуется нуклеомер.
Укорочение нити в 20 раз.
4) Хромомерный. Нуклеомерный уровень образует петли, соединенные
белками. Укорочение - в 200 раз.
5) Хромонемный уровень образуется, в результате сближения хромомеров по длине.
6) Хроматидный. Хромонема складывается в несколько раз, образуя тело
хроматиды. Хроматиду можно назвать нереплицированной хромосомой. После
репликации хромосома содержит 2 хроматиды - это реплицированная хромосома.
Процесс конденсации хроматина очень важен для регуляции активности
хромосом и для свободного распределения их в цитоплазме клетки. По мере
49
конденсации активность хроматина снижается. В результате усиления
компактизации хроматина метафазные хромосомы уменьшаются по длине в
несколько тысяч раз и свободно размещаются в цитоплазме, а затем расходятся,
к полюсам клетки. Форма метафазных хромосом зависит от расположения
центромеры. Различают метацентрические, субметацентрические,
акроцентрические, хромосомы со вторичной перетяжкой (спутничные).
Строение половых клеток
Гамета – это высокодифференцированная половая клетка, которая в
процессе эволюции приобрела приспособления для выполнения специфических
функции. Ядра как мужских, так и женских гамет содержат наследственную
информацию (n), необходимую для размножения организма.
Яйцеклетки – неподвижные, чаще округлой формы. Это обычно самые
большие клетки организма, т.к. в цитоплазме у них много питательных веществ
– желтка. Например, у кур они достигают размера 3,5 см, а у человека от 100 до
200 мкм. Помимо плазматической мембраны, яйцеклетки часто имеют
дополнительные оболочки, ядро, типичные клеточные органоиды.
Сперматозоиды – мелкие подвижные клетки. У человека они достигают
размеров 50 мкм. Типичный сперматозоид состоит из трех главных частей:
головки, шейки и хвоста. Большую часть головки занимает ядро, окруженное
тонким слоем цитоплазмы. В шейке располагается клеточный центр и
митохондрии, а хвост состоит из микротрубочек.
Оплодотворение – это процесс слияния яйцеклетки и сперматозоида, при
котором восстанавливается набор хромосом (n+n=2n). Процесс оплодотворения
состоит из нескольких этапов:
1 этап – проникновение сперматозоида в яйцеклетку. И яйцеклетка и
сперматозоид выделяют специфические вещества – гамоны, которые регулируют
двигательную активность сперматозоидов. Проникновению последних через
оболочки яйцеклетки способствуют ферменты, выделяемые сперматозоидами
для разрыхления этих оболочек. В оплодотворении участвуют много
сперматозоидов, но проникает в яйцеклетку, как правило, один.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]