3

Юрченко в.О.

Основи загальної біології

Конспект лекцій

Частина ІІ

Р а-а- × а+а+ (2n) а- а+ (n) F1 а+а- × а+а- (2n)

Міністерство освіти і науки України

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Юрченко В.О.

ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ БІОЛОГІЇ

Конспект лекцій

Частина ІІ

Затверджено методичною радою університету

протокол № __ від «___» _______ р.

Харків 2008

УДК 574.577

Основи загальної біології. Навчальний посібник: Частина ІІ / Юрченко В.О. – Харків: ХНАДУ, 2008. - 187 с.

У навчальному посібнику (частина ІІ) викладено основні сучасні уявлення про розвиток, розмноження, спадковість та мінливість організмів, включено відомості про еволюційні теоріі та матеріали про взаємини організмів з оточуючим середовищем.

Призначений для студентів екологічних спеціальностей технічних вузів.

Бібліогр. найм. 14.

Рецензент Кричківська Л.В., доктор біологічних наук, професор

(Національний технічний Університет «Харківський політехнічний інститут»)

Харківський національний

автомобільно-дорожній

університет, 2008

ЗМІСТ

Стор.

Лекція 10 розділ 6 реплікація й сегрегація генетичного матеріалу

План

6.1 Реплікація ДНК

6.2 Клітинний поділ у бактерій

6.3 Поділ клітин та ядер у еукаріот

Передумовою для збереження наявної спадкоємної інформації в ряді послідовних поколінь клітин та організмів є ідентичне подвоєння, або реплікація, генетичного матеріалу. Реплікація ДНК відбувається перед кожним нормальним поділом Днк-вмісних структур (ядер, пластид і мітохондрій) в еукаріот, перед кожним поділом бактеріальних клітин та під час розмноження ДНК-вірусів.

Потім подвоєна ДНК у процесі сегрегації розподіляється нарівно між двома дочірніми клітинними ядрами або «бактеріальними клітинами». Ідентична реплікація та правильний розподіл подвоєної спадкоємної інформації однаково важливі для збереження виду. У еукаріот сегрегація відбувається у результаті двох форм поділу клітинного ядра – мітозу та мейозу, а у бактерій – під час поділу клітини.

6.1 Реплікація ДНК

Реплікація ДНК відбувається так званим напівконсервативним способом: на кожному ланцюзі старої молекули утворюється новий, комплементарний ланцюг (рис. 6.1). У клітині синтезуються трифосфати чотирьох дезоксирибонуклеозидів –dG, dC, dT и dA, які виконують функції елементарних блоків для побудови нової ДНК. Видоспецифічна двохланцюжна молекула ДНК – є матрицею («шаблоном») для синтезу ДНК. До обох ланцюгів пристроюються комплементарні нуклеозидтрифосфати (dNTP) за принципом спарювання основ; за допомогою полімераз вони зв'язуються в новий нуклеотидний ланцюг, причому від кожного з них відщеплюється пірофосфат (рис. 6.2).

Рис. 6.1. Теоретично імовірні механізми реплікації

(—–– – ланцюги материнської ДНК, - - - – нові синтезовані ланцюги ДНК)

Під час реплікації з однієї молекули дволанцюгової ДНК утворюються дві молекули, які ідентичні вихідній молекулі. Це є передумова збереження видоспецифічної спадкоємної інформації в ряді поколінь клітин і організмів, а також передумовою значної сталості видів.

А	Б	В	Г

Рис. 6.2. Реплікація ДНК

А – вихідна молекула ДНК; Б – реплікація у результаті спаровування комплементарних основ та утворення полінуклеотидного ланцюга за участю полімерази; В – зв'язування фрагментів Оказаки лігазою; Г – дві дочірні молекули ДНК – результат напівконсервативної реплікації

Реплікація бактеріальних геномів та інших кільцевих молекул ДНК починається в певній, генетично фіксованій «точці старту». У хромосомах еукаріот є декілька таких початкових точок.

Реплікація ДНК відбувається вроздріб. Репліковані послідовності з 1000-2000 нуклеотидів називають фрагментами Оказаки. На обох старих ланцюгах новий полінуклеотидний ланцюг синтезується в напрямку 5'→3' (рис. 6.2, В). Реплікація здійснюється послідовно на окремих ділянках від точки старту, при цьому в еукаріот і багатьох бактерій вона йде уздовж подвійної спіралі ДНК не тільки в одному напрямку, але й у протилежному. ДНК-полімерази можуть приєднувати нуклеотиди тільки до вільного 3'-ОН-кінця нуклеотиду, який вже зв'язаний зі старим ланцюгом ДНК. Тільки РНК-полімерази можуть зв'язати перший нуклеотид із ДНК і почати новий полінуклеотидний ланцюг. Тому для синтезування фрагменту Оказаки, спочатку необхідно, щоб був прибудований короткий відрізок РНК (як під час транскрипції). Ця послідовність РНК із 1-10, рідше близько 50 нуклеотидів називається затравкою (або праймером) і синтезується РНК-полімеразою, або примазою. Від 3'-кінця затравки за допомогою ДНК-полімерази III починається синтез ДНК-фрагменту Оказаки, що триває до кінця даного фрагменту. Наступний фрагмент Оказаки знову починається із РНК-затравки. ДНК-полімераза I видаляє затравки, а пропуски заповнюються шляхом синтезу ланцюга ДНК (як у разі репарації з видаленням ділянки), що приєднується до попереднього фрагменту Оказаки. Потім фермент лігаза зв'язує між собою синтезовані відрізки ДНК.

Для реплікації подвійна спіраль ДНК розкручується за допомогою ферментів. Реплікація на старому ланцюзі, що йде від «точки старту» в напрямку 3'→5' (правий ланцюг на рис. 6.2), може йти безупинно уздовж подвійної спіралі, що розкривається подібно застібки-блискавки. Реплікація на іншому ланцюзі відбувається окремими фрагментами, тому що на цьому ланцюзі новий ланцюг повинен синтезуватися в протилежному напрямку (теж відповідно до напрямку 3'→5' старого ланцюга).

Спарювання основи за участю ДНК-полімерази відбувається майже безпомилково. Перед зв'язуванням нового нуклеотида додатково перевіряється, чи правильним було попереднє спарювання. Якщо воно було помилковим, невідповідний нуклеотид видаляється завдяки 3'→5'-ендонуклеазній активності полімерази.

Під час реплікації бактеріальних ДНК та інших кільцевих ДНК-структур в остаточному підсумку утворюються дві ідентичні кільцеві молекули ДНК. В еукаріот різні реплікаційні ділянки хромосоми зрештою об’єднуються (рис. 6.3), так що після завершення фази S у кожній хромосомі знаходяться дві молекули дволанцюгової ДНК, які представляють собою дві ідентичні хроматиди.

Рис. 6.3. Реплікація ДНК. Відрізок еукаріотичної хромосоми з декількома стартовими пунктами

Структура, яка здатна до реплікації (наприклад, хромосома, плазміда, вірусний геном), називається репліконом. Тільки структури із властивостями реплікона можуть зберігатися в ряді поколінь, тобто успадковуватися. ДНК здатна до реплікації завдяки наявності специфічної ділянки, що може служити стартовим пунктом для реплікації. Найменші реплікони, що зустрічаються у природі – це дрібні плазміди.

У еукаріот реплікація ДНК відбувається в інтерфазі. У бактерій реплікація ДНК починається в умовах, сприятливих для росту (причому кілька циклів реплікації один за іншим).

6.2 Клітинний поділ у бактерій

Після того як з генома в результаті ідентичної реплікації утворяться дві дволанцюгові молекули ДНК (плазміди, якщо вони є, теж подвоюються), ці дочірні молекули ДНК розташовуються так, щоб у разі клітинного поділу вони могли розійтися у дві дочірні клітини. Останні будуть, таким чином, містити повний геном. Плазміди теж діляться так, що кожна клітина одержує щонайменше одну з них.

6.3 Поділ клітин й ядер в еукаріот

6.3.1 Поділ соматичних клітин

Інтерфазою називають період між двома поділами ядра. Її підрозділяють на фази G₁ S й G₂. S – це фаза синтезу ДНК, фази G (від англ. gap – проміжок) – це фази до (G₁) і після (G₂) синтезу ДНК. Тільки в G₁ інтерфазна клітина містить характерну для даного виду кількість ДНК; в G₂ ця кількість вже подвоєна (рис. 6.4).

А
Б
В
	Профаза Метафаза Анафаза Телофаза

Рис. 6.4. Реплікація й поділ ДНК у еукаріот

А – схема мітозу; Б – реплікація й поділ ДНК у хромосомі; В – процес мітозу

У мітозі (непрямому поділі ядра, каріокінезі) відбувається впорядкований розподіл ДНК між дочірніми ядрами (рис. 6.4). У процесі мітозу з одного ядра з певним числом хромосом утворюються два дочірніх ядра з тим же числом хромосом кожне. Після того як у фазі S ДНК реплікується, кожна хромосома містить дві ідентичні молекули ДНК, які разом з білками стають хроматидами – двома половинками однієї подовжньо розщепленої хромосоми. Мітоз приводить до того, що ядро кожної з дочірніх клітин містить одну таку хроматиду (половинку кожної подвоєної хромосоми).

Щоб цей поділ було можливим, хромосоми в профазі сильно скорочуються. До кінця профази ядерна оболонка розчиняється. Утворюється апарат веретена поділу із двома полюсами. У метафазі хромосоми розташовуються в екваторіальній площині веретена. В кожній хромосомі видні дві хроматиди, які скріплені між собою центромерою. До кожної хроматиди прикріплені нитки веретена поділу (до хроматид однієї хромосоми – від протилежних полюсів). В анафазі хроматиди роз'єднуються та розходяться, починаючи з ділянки центромери, до полюсів. У ході анафази й телофази ці нові хромосоми знову подовжуються. У телофазі навколо хромосом, що перебувають на кожному полюсі, утвориться ядерна оболонка.

Якщо є центріоль, то вона ділиться на початку мітозу. Цитокінез (розподіл клітини) у тваринних клітинах відбувається шляхом утворення перетяжки таким чином, що у кожній половинці виявляється по одному ядру. У більшості вищих рослин в екваторіальній площині, починаючи із середини клітини, утворюється примордіальна стінка, що потім розширюється в напрямку до периферії. У деяких рослин утворення клітинної стінки йде в протилежному напрямку.

6.3.2 Мейоз (редукційний поділ)

Під час мейозу диплоїдне число хромосом зменшується до гаплоїдного (рис. 6.5). Розходження гомологічних хромосом відбувається так, що кожна дочірня клітина одержує по одній хромосомі з кожної пари.

Щоб відбувався такий поділ, гомологічні хромосоми в профазі I з'єднуються попарно й у метафазі I розташовуються в екваторіальній площині. В анафазі I гомологічні хромосоми розділяються та розходяться до протилежних полюсів. У результаті диплоїдний набір хромосом зменшується до гаплоїдного. Якщо початкова клітина містить, наприклад, шість хромосом (2n), то після редукційного розподілу клітини виходять дві клітини з трьома хромосомами (n) кожна.

Відразу ж після першого поділу мейозу (редукційного) відбувається ще другий поділ – звичайний мітоз.

Перед мейозом I у фазі S, як і під час мітоза, відбувається реплікація ДНК. У профазі I у спарених гомологічних хромосомах вже утворилося по дві хроматиди, що з'єднані в області центромери. На цієї чотирьоххроматидної стадії шляхом кросинговера (перехрещення) може відбуватися обмін ділянками хроматид (рис. 6.5, Б). При цьому, в кожній із двох гомологічних хромосом у гомологічній області розривається одна хроматида і фрагменти, що утворилися, з'єднуються хрест-навхрест – виникає хіазма. Ці місця перехрещення зміщуються до кінців хромосом (терміналізація), і хромосоми не розділяються на цих ділянках до кінця метафази I. Кросинговер уможливлює обмін ділянками хроматид і тим самим – внутрішньохромосомну рекомбінацію.

Рис. 6.5. Мейоз. А – схема, Б В – кросинговер

Таким чином, в мейозі можна виділити наступні стадії (рис. 6.6):

1. Мейоз I:

– профаза I (початок скорочення хромосом, спарювання, або кон'югація гомологічних хромосом, скорочення спарених хромосом та кросинговер, часткове розділення пар, начало терміналізації хіазм);

– метафаза I (розчинення ядерної оболонки, розташування спарених хромосом в екваторіальній площині);

– анафаза I (поділ гомологічних хромосом, початок їх подовження та розходження до полюсів);

– телофаза I (хромосоми перебувають на полюсах).

2. Мейоз II включає профазу II, метафазу II, анафазу II та телофазу II.

До закінчення мейозу II є чотири гаплоїдних ядра; у результаті клітинного поділу утворяться чотири клітини.

У диплоїдних організмів редукційний поділ, що обумовлює зміну ядерних фаз, здійснюється в різний час перед утворенням статевих клітин.

Запитання для самоперевірки

1. Яким способом (консервативним або напівконсервативним) здійснюється реплікація ДНК?

2. З яких сполук і за яким принципом будується новий ланцюг ДНК?

3. У якому напрямку будуються нові полінуклеотидні ланцюги ДНК і які особливості їхньої побудови на материнському ланцюзі 3'→5' і материнському ланцюзі 5'→3'?

4. Які ферменти здійснюють синтез ДНК?

5. Яка частота помилок під час реплікації ДНК?

6. У якій фазі інтерфази відбувається реплікація ДНК?

7. З яких фаз складається мітоз?

8. Приведіть формулу мітозу та порівняйте генотипи материнського й дочірнього ядер.

9. Приведіть формулу мейозу та зрівняєте генотипи материнського й дочірнього ядер.

10. У якій фазі мейозу відбувається кросинговер і до якого виду спадкоємних змін він приводить?

Рис. 6.6. Основні стадії мейозу