34. Клеточный цикл — это период жизни клетки от одного деления до другого или от деления до смерти.

Клеточный цикл состоит из интерфазы (период вне деления) и самого клеточного деления.

Если клетка собирается когда-нибудь делиться, то интерфаза будет состоять из 3-х периодов. Сразу после выхода из митоза клетка вступает в пресинтетический или G1-период, далее переходит в синтетический или S-период и потом — в постсинтетический или G2-период. G2-периодом заканчивается интерфаза и после нее клетка вступает в следующий митоз.

Если клетка не планирует снова делиться, то она как бы выходит из клеточного цикла и вступает в период покоя, или G0-период. Если клетка, находящаяся в G0-периоде, снова захочет делиться, то она выходит из G0-периода и вступает в G1-период. Таким образом, если клетка находится в G1-периоде, то она обязательно рано или поздно будет делиться, не говоря уже о S- и G2-периодах, когда клетка в ближайшее время обязательно вступит в митоз.

G1-период может продолжаться от 2–4 ч до нескольких недель или даже месяцев. Продолжительность S-периода варьирует от 6 до 8 ч, а G2-периода — от нескольких часов до получаса. Длительность митоза — от 40 до 90 минут. Причем самой короткой фазой митоза можно считать анафазу. Она занимает всего несколько минут.

G1-период характеризуется высокой синтетической активностью, в течение которого клетка должна увеличить свой объем до размера материнской клетки, а значит, и количество органелл, различных веществ. Непонятно почему, но клетка прежде чем вступить в следующий митоз должна иметь размер равный материнской клетке. И пока этого не произойдет, клетка продолжает оставаться в G1-периоде. Видимо, единственным исключением из этого является дробление, при котором бластомеры делятся, не достигая размеров исходных клеток.

В конце G1-периода принято различать специальный момент, называемый R-точкой (точка рестрикции, R-пункт), после которого клетка обязательно в течение нескольких часов (обычно 1–2) вступает в S-период. Период времени между R-точкой и началом S-периода можно рассматривать в качестве подготовительного для перехода в S-период. Самый главный процесс, который идет в S-периоде — это удвоение или редупликация ДНК. Все остальные реакции, происходящие в это время, направлены на обеспечение синтеза ДНК — синтез гистоновых белков, синтез ферментов, регулирующих и обеспечивающих синтез нуклеотидов и образование новых нитей ДНК.Сущность G2-периода не совсем понятна в настоящее время, однако в этот период происходит образование веществ, необходимых для самого процесса митоза (белки микротрубочек веретена деления, АТФ).

Прохождение клетки по всем периодам клеточного цикла строго контролируется специальными регуляторными молеулами, которые обеспечивают: 1) прохождение клетки по определенному периоду клеточного цикла и 2) переход из одного периода в другой. Причем прохождение по каждому периоду, а также переход из одного периода в другой контролируется различными веществами. Одними из участников регуляторной системы являются циклин-зависимыми протеинкиназами (cdc). Именно они регулируют активность генов, ответственных за прохождение клетки по тому или иному периоду клеточного цикла. Имеется несколько их разновидностей, и все они присутствуют в клетке постоянно независимо от периода клеточного цикла. Но для работы циклин-зависимых протеинкиназ требуются специальные активаторы. Ими являются циклины. Циклины присутствуют в клетках не постоянно, а то появляются, то исчезают. Это обусловлено их синтезом и быстрым разрушением. Известно много типов циклинов. Синтез каждого циклина происходит в строго определенный период клеточного цикла. В один период образуются одни циклины, а в другой — другие (Табл.). Таким образом, система "циклины — циклин-зависимые протеинкиназы" управляет движением клетки по клеточному циклу.

35. Митоз — непрямое деление клетки. Митоз — один из фундаментальных процессов онтогенеза. Митотическое деление обеспечивает рост многоклеточных эукариот за счёт увеличения популяции тканевых клеток. В результате митотического деления клеток меристем увеличиваются тканевые популяции растительных клеток. Дробление оплодотворённого яйца и рост большинства тканей у животных также происходит путём митотических делений. На основании морфологических особенностей митоз условно подразделяется на стадии: профазу, прометафазу, метафазу, анафазу, телофазу.

1. Профаза

Ранняя профаза. В клетке (плазматическая мембрана на фотографии имеет красный цвет) исчезает ядерная оболочка, нити микротрубочек (зеленые) начинают формировать митотический аппарат (веретено деления), хроматин (комплекс ДНК и белков-гистонов, на фотографии - голубые пятна) начинает конденсироваться и, спирализуясь, превращаться в хромосомы.

Поздняя профаза. Продолжается формирование хромосом из хроматина, на полюсах бывшего ядра формируются центры митотического аппарата, между которыми протягиваются микротрубочки нитей веретена деления.

2. Метафаза

Хромосомы располагаются по экватору бывшего ядра, прикрепляясь своими центромерами (первичными перетяжками) к нитям митотического аппарата. Начинается формирование метафазной пластинки.

Заканчивается формирование метафазной пластинки. Именно на этой стадии клеточного деления, блокировав дальнейшее расхождение хромосом при помощи определенных алкалоидов (например, колхицина), изучают кариотип (набор хромосом, присущий данному организму или виду).

3. Анафаза

Хромосомы разрываются в месте соединения (по центромере) и хроматиды начинают движение к противоположным полюсам клетки: от каждой хромосомы одна хроматида движется к одному полюсу, другая - к другому. Хроматиды теперь можно назвать сестринскими хромосомами, т.к. они теперь действительно "обретают самостоятельность", становятся самостоятельными хромосомами, которые попадут в разные клетки. Заканчивается расхождение хроматид к полюсам клетки. Именно на этом этапе клеточного цикла происходит равномерное распределение наследственной информации материнской клетки между дочерними клетками.

4. Телофаза

Хромосомы концентрируются на противоположных полюсах клетки. начинается десприализация хромосом, постепенно начинает формироваться ядерная оболочка.

36. Генетическая стабильность. В результате митоза получаются два ядра, содержащие каждое столько же хромосом, сколько их было в родительском ядре. Эти хромосомы происходят от родительских хромосом путем точной репликации ДНК, поэтому гены их содержат совершенно одинаковую наследственную информацию. Дочерние клетки генетически идентичны родительской клетке, так что никаких изменений в генетическую информцию митоз внести не может. Поэтому клеточные популяции (клоны), происходящие от родительских клеток, обладают генетической стабильностью.

Рост. В результате митозов число клеток в организме увеличивается ( процесс, известный под названием гиперплазии), что представляет собой один из главных механизмов роста.

Бесполое размножение, регенерация и замещение клеток. Многие виды животных и растений размножаются бесполым путем при помощи одного лишь митотического деления клеток. Кроме того, митоз обеспечивает регенерацию утраченных частей (например, ног у ракообразных) и замещение клеток, происходящее в той или иной степени у всех многоклеточных организмов.

37. Мейоз

Мейоз - особый вид деления клеток, в результате которого образуются гаметы - половые клетки с гаплоидным набором хромосом. Мейоз представляет собой два последовательных деления в процессе гаметогенеза. Оба деления мейоза включают те же фазы, что и митоз:

профазу,

метафазу,

анафазу,

телофазу.

Перед первым делением клетки в интерфазе происходит удвоение ДНК.

Первое мейотическое деление:

В профазе начинается спирализация хромосом. Затем хромосомы каждой гомологичной пары соединяются друг с другом по всей длине и переплетаются. Этот процесс называется конъюгацией. Во время конъюгации происходит обмен участками генов гомологичных хромосом (кроссинговер). После конъюгации гомологичные хромосомы отталкиваются друг от друга, но сохраняют связи в местах кроссинговера.

В метафазе первого деления хромосомы гомологичных пар располагаются в плоскости экватора. В анафазе к полюсам клетки расходятся целые хромосомы, каждая из которых содержит две хроматиды. В дочерние клетки попадает только одна из каждой пары гомологичных хромосом. Второе мейотическое деление: Ему не предшествует синтез ДНК, т. к. интерфазы практически нет. После короткой профазы в метафазе второго деления к хромосомам, состоящим из двух хроматид, прикрепляются нити веретена деления. В анафазе к полюсам клетки расходятся хроматиды и в каждой дочерней клетке оказывается по одной дочерней хромосоме. Таким образом, в половых клетках количество хромосом уменьшается вдвое.

Биологическое значение мейоза заключается в уменьшении числа хромосом вдвое и образовании гаплоидных гамет. Слияние гаплоидных клеток при оплодотворении восстанавливает в зиготе диплоидный набор хромосом. Перекомбинация генов, осуществляемая в мейозе, приводит к внутривидовой изменчивости.

38. Биологическое значение мейоза заключается в поддержании постоянства числа хромосом при наличии полового процесса. Кроме того, вследствие кроссинговера происходит рекомбинация – появление новых сочетаний наследственных задатков в хромосомах. Мейоз обеспечивает также комбинативную изменчивость – появление новых сочетаний наследственных задатков при дальнейшем оплодотворении.

ГАМЕТОГЕНЕЗ (от гамета и ...генез), развитие половых клеток (гамет). У животных гаметогенез бывает диффузным (гаметы развиваются в любом участке тела — у губок, некоторых кишечнополостных, плоских червей) и локализованным (гаметы развиваются в половых железах — гонадах — у подавляющего большинства животных). У позвоночных и многих беспозвоночных гаметы образуются из первичных половых клеток (гоноцитов), которые обособляются после первых делений дробления или в начале эмбриогенеза из экто- или энтодермы. При раннем гаметогенезе у зародышей позвоночных и некоторых беспозвоночных гоноциты образуются вдали от зачатка будущей гонады и мигрируют (с током крови, пластами развивающихся тканей или путём активного движения) к месту окончат, дифференцировки. У животных с поздним гаметогенезом (гидры, мшанки, оболочники) место возникновения гамет и зона дифференцировки совпадают. После детерминации пола гоноцитов, зависящей от соматических тканей гонады, начинается размножение и дифференцировка мужских половых клеток (сперматогенез) или женских (оогенез). У млекопитающих отдельные этапы сперматогенеза и весь процесс в целом строго детерминированы во времени, их скорость не зависит от действия гормональных факторов. В оогенезе этапы созревания яйцеклеток растянуты во времени и гормонально зависимы. Гаметогенез рассматривается как начальный этап онтогенеза. Нарушения его могут существенно влиять на последующее развитие оплодотворённого яйца и будущего организма.

39. Мейоз – это деление, при котором получаются половые клетки (у растений – споры). Биологическое значение митоза:

рекомбинация (перемешивание наследственной информации)

редукция (уменьшение количества хромосом в 2 раза).

Отличия мейоза от митоза по итогам

1. После митоза получается две клетки, а после мейоза – четыре.

2. После митоза получаются соматические клетки (клетки тела), а после мейоза – половые клетки (гаметы – сперматозоиды и яйцеклетки; у растений после мейоза получаются споры).

3. После митоза получаются одинаковые клетки (копии), а после мейоза – разные (происходит рекомбинация наследственной информации).

4. После митоза количество хромосом в дочерних клетках остается таким же, как было в материнской, а после мейоза уменьшается в 2 раза (происходит редукция числа хромосом; если бы её не было, то после каждого оплодотворения число хромосом возрастало бы в два раза; чередование редукции и оплодотворения обеспечивает постоянство числа хромосом).

Отличия мейоза от митоза по ходу

1. В митозе одно деление, а в мейозе – два (из-за этого получается 4 клетки).

2. В профазе первого деления мейоза происходит конъюгация (тесное сближение гомологичных хромосом) и кроссинговер (обмен участками гомологичных хромосом), это приводит к перекомбинации (рекомбинации) наследственной информации.

3. В анафазе первого деления мейоза происходит независимое расхождение гомологичных хромосом (к полюсам клетки расходятся двуххроматидные хромосомы). Это приводит к рекомбинации и редукции.

4. В интерфазе между двумя делениями мейоза удвоения хромосом не происходит, поскольку они и так двойные.

...Второе деление мейоза ничем не отличается от митоза. Как и в митозе, в анафазе II мейоза к полюсам клетки расходятся одинарные сестринские хромосомы (бывшие хроматиды).

40. 1.8. Биосинтез белка

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.

Этапы биосинтеза одного вида белка в клетке:

• сначала происходит синтез мРНК на определенном участке одной из цепей молекулы ДНК;

• мРНК выходит через поры ядерной мембраны в цитоплазму и прикрепляется к малой субъединице рибосом;

• к этой же субъединице рибосомы присоединяется ини-циаторная тРНК, антикодон которой взаимодействует со стартовым кодоном мРНК — АУГ, затем из малой и большой частиц формируется рабочая рибосома;

• на противоположном антикодону конце молекулы ини-циаторной тРНК находится аминокислота метионин (ее код — АУГ). Карбоксильная группа метионина присоединяется к аминогруппе следующей аминокислоты, доставленной на рибосому;

• при включении новой аминокислоты рибосома передвигается вперед на три нуклеотида. 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;

• рибосома движется вдоль мРНК, пока не достигнет одного из ее трех стоп-кодонов — УАА, УАГ или УГА;

• после этого полипептид покидает рибосому и направляется в цитоплазму. На одной молекуле мРНК 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).

Точность белкового синтеза обеспечивается следующими механизмами:

• фермент аминоацил-тРНК-синтетазы обеспечивает связывание строго определенной аминокислоты с соответствующими молекулами транспортной РНК;

• транспортная РНК, присоединившая аминокислоту, своим антикодоном связывается с кодоном на информационной РНК в месте прикрепления рибосомы. Только после узнавания молекулой тРНК «своего» кодона аминокислота включается в растущую полипептидную цепь.

РНК отличается от ДНК тем, что содержит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина. Кроме того, обычное соотношение в РНК пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов указывает на отсутствие комплементарности оснований. Это свидетельствует о том, что РНК имеет одноцепочечную структуру, а не образует, как ДНК, двойную спираль. Молекулы РНК представляют собой неразветвленные цепи из нуклеотидов четырех типов (А, Г, Ц и У), соединенных 3', 5'-фосфодиэфирными связями.

Для синтеза белка необходимы три категории молекул РНК: информационная РНК, которая передает в цитоплазму генетическую информацию от ДНК, находящейся в ядре; рибосомная РНК, составляющая значительную часть материала рибосом — цитоплазматических гранул, на которых синтезируется белок, и, наконец, транспортная РНК, которая действует как «адаптор», выстраивая аминокислоты растущей полипептидной цепи в надлежащем порядке. Информационная РНК синтезируется при участии ДНК-зависимой РНК-полимеразы, которую впервые обнаружили в ядрах печеночных клеток крысы, а впоследствии нашли также у других животных, у растений и бактерий. Этот фермент действует лишь в присутствии ДНК, играющей роль матрицы, и использует в качестве субстратов трифосфаты четырех рибонуклеотидов, из которых обычно состоит РНК. В результате реакции образуются РНК и неорганический пирофосфат. Матрицами могут служить как одноцепочечные, так и нативные (двухцепочечные) молекулы ДНК, а также синтетические дезоксирибополинуклеотиды.

Транспортные РНК и рибосомная РНК также синтезируются ДНК-зависимыми системами путем транскрипции комплементарных к ним последовательностей дезоксирибонуклеотидов, имеющихся в ДНК.

Строение РНК, образующейся в присутствии матриц ДНК вполне определенной структуры, в точности соответствует правилам спаривания оснований, постулированных в модели Уотсона — Крика. Матричная ДНК состоит из двух цепей и содержит две различные (комплементарные друг другу) последовательности оснований, которые могли бы служить источником совершенно разной генетической информации; однако транскрипции подвергается, видимо, только одна из этих цепей, и при этом образуется только один вид информационной РНК. Молекулярная основа этого выбора одной из двух цепей неизвестна.

Как показали электронно-микроскопические исследования, в большинстве клеток имеется обширная система канальцев с тонкими мембранными стенками — так называемая эндоплазматическая сеть. На поверхности мембран этой сети лежат мелкие гранулы, называемые рибосомами; иногда рибосомы свободно взвешены в цитоплазме. Рибосомы состоят примерно наполовину из белка и наполовину из РНК. После экстрагирования этой РНК фенолом оказалось, что она представлена двумя компонентами с различными молекулярными массами — около 600 000 и около 1 300 000.

Молекулы транспортных РНК значительно мельче молекул информационной и рибосомной РНК. В процессе синтеза белка каждая из них действует как специфический адаптор, присоединяясь к определенной аминокислоте и играя роль «опознавательного знака», определяющего будущее положение данной аминокислоты на матрице информационной РНК. Каждая из 20 аминокислот может соединяться с одной или несколькими специфическими видами транспортных РНК. В определенном участке молекулы транспортной РНК находится антикодон — триплет, комплементарный тому кодону информационной РНК, который определяет данную аминокислоту. Транспортные РНК отличаются также тем, что они содержат, помимо четырех обычных нуклеотидов (адениловой, гуаниловой, цитидиловой и уридиловой кислот), еще небольшие количества необычных нуклеотидов, например 6-метиламиноадениловую кислоту, диметилгуаниловую кислоту и тиминриботид.

Транспортные РНК представляют собой цепочки, состоящие примерно из 70 нуклеотидов. У всех видов транспортных РНК на 3'-конце молекулы находится одна и та же последовательность нуклеотидов — ЦЦА, к которой присоединяется аминокислота, а на другом конце (5') нуклеотидной цепи — гуаниловая кислота. Цепь в некоторых участках сложена вдвое и образует три или более петель из неспаренных нуклеотидов; в промежутках между этими петлями находятся спаренные участки в виде двойных спиралей, стабилизированных водородными связями, соединяющими комплементарные основания. Петля, ближайшая к акцептору аминокислоты (ЦЦА), содержит 7 нуклеотидов, в том числе цитидин, псевдоуридин и тимидин, находящиеся в положениях 21, 22 и 23 от конца с триплетом ЦЦА. Триплет, комплементарный кодону (антикодон), расположен на средней петле, состоящей из 7 нуклеотидов; перед ним по ходу цепи находится уридин, а после него — аденозин или видоизмененный аденозин. Еще одно необычное основание — диметилгуанозин — расположено перед антикодоном на расстоянии 8 нуклеотидов от него у основания более крупной петли (из 8—12 нуклеотидов), поблизости от 5'-конца цепи. У всех изученных до сих пор транспортных РНК пространственная конфигурация цепи такова, что расстояние между антикодоном и аминокислотой всегда одинаково. В этих РНК триплеты антикодонов очень хорошо согласуются с предсказаниями, которые были сделаны на основе правил комплементарности и известных кодонов информационной РНК для соответствующих аминокислот.

Первой полностью проанализированной транспортной РНК была аланиновая РНК, выделенная из дрожжей. Аланиновая РНК состоит из 77 нуклеотидов, расположенных в строго определенной последовательности; из этих нуклеотидов 9 содержат необычные основания с одной или несколькими метильными группами, которые присоединяются к ним ферментативным путем уже после образования фосфодиэфирных связей между нуклеотидами. Некоторые из этих оснований неспособны к образованию обычных пар; возможно, они служат для того, чтобы препятствовать спариванию оснований в определенных частях молекулы и таким образом обнажать специфические химические группы, которые образуют вторичные связи с информационной РНК, рибосомой или, быть может, с ферментом, необходимым для присоединения определенной аминокислоты к соответствующей транспортной РНК. В настоящее время уже известна точная последовательность нуклеотидов в нескольких транспортных РНК. По существу это означает, что известна также и последовательность их в генах, на которых эти РНК синтезируются: эту последовательность можно вывести, основываясь на правилах специфического спаривания оснований, установленных Уотсоном и Криком. Ген, определяющей структуру аланиновой РНК, тоже должен состоять из 77 нуклеотидов. В 1970 году Корана синтезировал полную двухцепочечную молекулу ДНК с соответствующей последовательностью из 77 нуклеотидов, и оказалось, что она может служить матрицей для построения аланиновой транспортной РНК. Это был первый искусственно синтезированный ген.