12 Жизненный и митотический цикл.

Клеточный цикл-дериод существования клетки с момента ее рождения ло смерти,он • включает, митотический цикл- -комплекс взаимосвязанных и детерминмрованных событий, происходяших в процессе подготовки клетки к ее делению.в митотическом цикле выделяют 4 .

периода:митоз,пресинтетический, синтетический,постсинтетический.продолжительность

митотического цикла 10-50 часов.биолог значение митотич цикла-обеспечивает

преемственность хромосом в ряду, клеточных поколений,образование клеток,-равноценньгх

по содержанию и объему

В жизненном-цикле клеток вьделяют два периода: первый период между делениями

интерфаза, когда клетка растет, функционирует и готовится к делению; второй период

деления

В интерфазе происходит ряд важнейших физиологических [Процессов: редупликация ДНК, удвоение числа хромосом, образование белков ахроматинового веретена деления, синтез АТФ, рост биомассы клетки. В интерфазе различают три периода: 1) пресинтетический - клетки растут, синтезируют РНК, белки, АТФ, но синтез ДНК не

происходит, клетка содеожит диплоидный набор хромосом, -каждая из которых

представлена одной хроматидой, образованных дочерними ДНК, появившихся в результате редупликации материнской. Любая пара дочерних хроматид связывается между собой тонким перехватом, называемым центромерой. Это участок материнской ДНК, в котором редупликация еще не прошла. К каждой центромере присоединена своя нить веретена деления. Анафаза. Дочерние хроматиды отделяются друг от друга в результате редупликации центромер и быстро расходятся к противоположным полюсам клетки. Теперь на каждом полюсе находится свой набор хроматид. Оба этих набора содержат одинаковые гены, так как все дочерние хроматиды, образованные в ходе редупликации материнской ДНК являются копиями друг друга.

Телофаза. На полюсах клетки хроматиды раскручиваются в хроматиновые нити. Возобновляется синтез РНК и белков. Вокругых (клетки эпителия, печени и д Биологическое значение митоза заключается в том, что он обеспечиваетпостоянство числа хромосом во всех клетках организма. В процессе митозапроисходит распределение ДНК хромосом материнской клетки строго поровнумежду возникающими из нее двумя дочерними клетками. В результате митоза всёклетки тела, кроме половых, получают одну и ту же генетическую информацию.Такие клетки называются соматическими (от греч. "сома" - тело).р.).

13 ХАРАКТЕРИСТИКА ДНК. УНИКАЛЬНЫЕ И ПОВТОР ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ У разных видов разное количество ДНК, оно зависит от числа хромосом. Свойства ДНК:

1 днк стабильна

2 имеет сложное строение

3 гигантские размеры Последовательности ДНК:

1 высоко повторяющиеся- повторности нуклеотидов длиной в 1 ген, которые встречаются 10 6 копий,репликация на них происходит в первую очередь

Функции: а)разделяют структурные и регуляторные гены б) учавствуют в конъюгации хромосом в) обеспечивают укладку ДНК в составе хромосом

2 умерено повторяюгциеся-встречаются 10 2-10 5.перемещаютсяпо генотипу, приводят к появлению мутации, к злокачественным опухолям.

3 уникальные- существуют в единственном числе Из всех ДНК- 54 % активны.

14 ХРОМОСОМА. ....

ЭУКАРИОТИЧЕСКАЯ

1—хроматида; 2—центромера; 3—короткое плечо; 4—-длинное плечо. Центромера

ДНК центромеры обычно представлена гетерохроматином, что, возможно, существенно для ее функционирования. В этом хроматине нормальный гистон НЗ замещен центромер-специфическим гистоном CENP-A (CENP-A характерен для пекарских дрожжей S. cerevisiae, но сходные специализированные нуклеосомы, похоже, присутствуют во всех эукариотных клетках). Считается, что присутствие CENP-A необходимо для сборки кинетохора на центромере и может играть роль в эпигенетическом наследовании местоположения центромеры.

Центромера (от центр и греч meros - часть), .кинетохор, кинетическое-тельце, участок хромосомы, играющий основную роль в её движении в процессе деления клетки — митоза. На стадии метафазы митоза область Ц. в хромосоме менее плотно упакована и

2) синтетический - в клетках идет синтез ДНК, каждая хромосома достраивает недостающую хроматиду;

3) постсинтетический, или предмитотический - в клетке синтезируются белки митотического аппарата, происходит удвоение центриолей, накапливается энергия, количество хромосом сохраняется.

Далее следует деление клетки которое может быть непрямым (митоз) и прямым (амитоз). Митознаиболее распространенный способ репродукции клеток. Он приводит к образованию генетически равноценных клеток и сохранению преемственности хромосом в ряду поколений. Митоз представляет собой непрерывный биологический процесс. Различают четыре фазы митоза ? профазу, метафа-зу, анафазу, телофазу. В профазе увеличивается объем ядра и клетки в целом. Клетка округляется: снижается или вообще прекращается ее функциональная активность. Центриоли расходятся к полюсам. Хромосомы спирализуются, утолщаются и укорачиваются, в результате чего считывание генетической информации с молекул ДНК становится невозможным. В конце профазы ядерная оболочка распадается и хромосомы беспорядочно рассеиваются в цитоплазме.

В метафазе спирализация хромосом достигает максимума, они устремляются к экватору клетки и, располагаясь на равном расстоянии от полюсов, образуют так называемую экваториальную или метафазную пластинку. На этой стадии митоза под световым микроскопом хорошо видно, что хромосома состоит из двух хроматид, соединенных только в области центромеры. От центриолей, находящися у полюсов клетки, к центромерам подходят нити веретена деления.

В анафазе каждая хромосома расщепляется на две хрома-тиды, называемые дочерними хромосомами. Нити веретена деления, прикрепленные к центромерам, сокращаются и увлекают дочерние хромосомы к полюсам клетки. Таким образом, в анафазе хроматиды удвоенных еще в интерфазе хромосом расходятся к полюсам клетки

В телофазе хромосомы раскручиваются, деспирализуют-ся; Из мембранных структур цитоплазмы образуется ядерная оболочка. В процессе образования перетяжки клетка

делится на две дочерние. В дочерних клетках наследственная информация копирует информацию, содержащуюся в материнской клетке..

В процессе митоза точно поровну распределяется генетический материал между дочерними клетками, в результате каждая из них получает диплоидньш набор хромосом. Продолжительность разных периодов митотического цикла различна (от нескольких. минут до нескольких часов) и зависит от ряда причин: типа тканей, физиологического

состояния организма, температуры, света, химических веществ и т. п. При амитозе вначале делится ядро на две или несколько частей без сггирализации

хромосом, после чего перешнуровывается цитоплазма и образуются две или несколько новых клеток. Данный процесс сопровождается делением цитоплазмы или ограничивается только делением ядра. Следовательно, в результате амитоза могут образовываться двухъядерные или многоядерные клетки. Амитозом делятся простейшие, одноклеточные растения и некоторые клетки многоклеточных животн

МИТОЗ Митоз - это непрямое деление клетки," в результате которого исходная клетка дает начало двум новым, имеющим, совершенно одинаковый набор генов. Митоз длится 1-2 часа и протекает в четыре фазы, из которых самыми продолжительными

являются первая и последняя.

Фазы митоза.

Профаза. Наблюдается конденсация хроматиновьгх нитей, то есть их упаковка. Образуются хорошо заметные в световой микроскоп (при специальном подкрашивании) утолщенные хромосомы. Синтез РНК и белков заканчивается. Разрушается оболочка ядра.

Оразуется веретено деления.

Метафаза. Все хромосомы перемещаются в центр клетки, располагаясь по ее экватору. Каждая хромосома состоит из двух хорошо различимых дочерних хроматид ,

Строение гена

Согласно современным представлениям, ген, кодирующий синтезопределенного белка, у эукариот состоит из нескольких обязательных элементов. (Рис. 2) Прежде всего, это обширная регуляторная зона,оказывающая сильное влияние на активность гена в той или иной тканиорганизма на определенной стадии его индивидуального развития. Далее расположен непосредственно примыкающий к кодирующим элементам гена промотор- последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, ответственнаяза связывание РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена.Вслед за промотором лежит структурная часть гена, заключающая в себеинформацию о первичной структуре соответствующего белка. Эта область для больпинства генов эукариот существенно короче регуляторной зоны, однако еедлина может измеряться тысячами пар нуклеотидов.

Важная особенность эукариотических генов - их прерывистость. Это значит, что область гена, кодирующая белок, состоит из нуклеотидныхпоследовательностей двух типов. Одни - экзоны - участки ДНК, которые несутинформацию о строении белка и входят в состав соответствующих РНК и белка.Другие - интроны, - не кодируют структуру белка и в состав зрелой молекулыи-РНК не входят, хотя и транскрибируются. Процесс вырезания интронов —«ненужных» участков молекулы РНК и сращивания экзонов при образовании и-РНКосуществляется специальными ферментами и носит название сплайсинг(сшивание, сращивание). Экзоны обычно соединяются вместе в том же порядке,в котором они располагаются в ДНК. Однако не абсолютно все гены эукариотпрерывисты. Иначе говоря, у некоторых генов, подобно бактериалъным,наблюдается полное соответствие нуклеотидной последовательности первичнойструктуре кодируемых ими белков.Регуляция экспрессии генов: общие сведения

Процессинг (processing) - Комплекс процессов образования зрелых молекул РНК и белков в клетке; включает ряд последовательных расщеплений молекулы-предшественника эндонуклеазой или протеазами с образованием конечных, функционально активных продуктов (например, 41S-, 32S-, 20S-pPHK у многих эукариот - промежуточные; 7S-, 28S-, 18S-pPHK - конечные) и деградации «избыточных» участков. У эукариот процессинг мРНК включает этап вырезания интронов и образования зрелой молекулы в результате сплайсинга. Также к системе процессинга относят различные модификации -например, метилирование отдельных оснований и др.

СПЛАЙСИНГ (от англ. splice-соединять, сращивать), удаление из молекулы РНК нитронов (участков РНК, к-рые практически не несут генетич. информации) и соединение оставшихся участков, несущих генетич. информацию (экзо-нов), в одну молекулу. С.-один из этапов образования функциональноактивных молекул РНК (процессинг РНК) из их предшественников, к-рый осуществляется после завершения транскрипции (синтез РНК на ДНК-матрице). В результате удаления каждого интрона происходит разрыв двух фосфодиэфирных связей с последующим образованием одной новой (см. Нуклеиновые кислоты).

Биосинтез белка

Любая живая клетка способна синтезировать белки, и эта способность представляет одно из наиболее важных и характерных ее свойств. С особенной энергией идет биосинтез белков в период роста и развития клеток. В это время активно синтезируются белки для построения клеточных органоидов, мембран. Синтезируются ферменты. Биосинтез белков идет интенсивно и во многих взрослых, т. е. закончивших рост и развитие, клетках, например в клетках пищеварительных желез, синтезирующих белки-ферменты (пепсин, трипсин), или в клетках желез внутренней-секреции,-с-интезирующих белки-гормоны (инсулин, тироксин). Способность к синтезу белков присуща не только растущим или секреторным клеткам: любая клетка в течение всей жизни постоянно синтезирует белки, образует первичную перетяжку, разделяющую хромосому на два плеча (положение перетяжки используется при классификации хромосом).

Вторичные перетяжки

Морфологический признак, позволяющий идентифицировать отдельные хромосомы в наборе. От первичной перетяжки отличаются отсутствием заметного угла между сегментами хромосомы. Вторичные перетяжки бывают короткими и длинными и локализуются в разных точках по длине хромосомы.

Типы строения хромосом

Различают четыре типа строения хромосом:

телоцентрические (палочковидные хромосомы с центромерой, расположенной на

проксимальном конце);

акроцентрические (палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным

вторым плечом);

субметацентрические (с плечами неравной длины, напоминающие по форме букву L);

метацентрические (V-образные хромосомы, обладающие плечами равной длины).

Тип хромосом является постоянным для каждой гомологичной хромосомы и может быть постоянным у всех представителей одного вида или рода.

Зона ядрышка

Зоны ядрьппка (организаторы ядрышка) — специальные участки, с которыми связано, появление некоторых вторичных перетяжек.

Хромонема

Хромонема —это спиральная структура, которую удается увидетьв менее компактных хромосомах. Хромонема может состоять из двух, четырех и более нитей, в зависимости от исследуемого объекта. Эти нити образуют спирали двух типов:

паранемическую (элементы спирали легко разъединить); —

плектонемическую (нити плотно переплетаются)."

Хроматин:

Гетерохроматин- хорошо виден во время интерфазы, учавствует в транскрипции. Эухроматин- содержит большинство генов.

15 КАРИОТИП,ИДИОГРАММА Кариотип, хромосомный набор, совокупность признаков хромосом в клетках тела организма того или. иного вида. К.— одна из важнейших генетических характеристик вида, т.к. каждьт вид имеет свой К., отличающийся от К. близких видов (на этом основана новая отрасль систематики — так называемая кариосистематика). Постоянство К. в клетках одного организма обеспечивается митозом, а в пределах вида — мейозом. ИДИОГРАММА -схематическое изображение гаплоидного набора хромосом организма,

которые располагают в ряд в соответствии с их размерами.

16 ГЕН, ЕГО СВОЙСТВА. ПРОЦЕССИНГ. СПЛАЙСИНГ.

Последовательность нуклеотидов РНК точно повторяет последовательность в одной из цепей гена. Таким образом, информация, содержащаяся в структуре данного гена, как бы переписывается на РНК. Этот процесс называют транскрипцией (лат. "транскрипция" -переписывание). С каждого гена можно снять любое число копий РНК. Эти РНК, несущие в рибосомы информацию о составе белков, называют информационными (и-РНК).

Для того чтобы понять, каким образом состав и последовательность расположения нуклеотидов в гене могут быть "переписаны" на РНК, вспомним принцип комплементарности, на основании которого построена двухспиральная молекула ДНК. Нуклеотиды одной цепи обусловливают характер противолежащих нуклеотидов другой цепи. Если на одной цепи находится А, то на том же уровне другой цепи стоит Т, а дротив Г всегда находится Ц. Других комбинаций не бывает. Принцип комплементарности действует и при синтезе информационной РНК.

Против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный к нему нуклеотид информационной РНК (в РНК вместо тимидилового нуклеотида (Т) присутствует уридиловый нуклеотид (У). Таким образом, против Г днк встает Ц рнк, против А днк - У рнк, против Т днк - А рнк. В результате образующаяся цепочка РНК по составу и последовательности своих нуклеотидов представляет собой точную копию состава и последовательности нуклеотидов одной из цепей ДНК. Молекулы информационной РНК направляются к месту, где происходит синтез белка, т. е. к рибосомам. Туда же идет из цитоплазмы поток материала, из которого строится белок, т. . _:е. аминокнслаты. В цитоплазме клеток всегда имеются аминокислоты, образующиеся в результате расщепления белков пищи. .

-Транспортные РНК Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а в сопровождении транспортных РНК (т-РНК). Молекулы т-РНК невелики - они состоят всего из 70-80,нуклеотидных звеньев. Их состав и последовательность для некоторых т-РНК

уже установлены полностью. При этом выяснилось, что в ряде мест цепочки т-РНК обнаруживаются 4-7 нуклеотидньх звеньев, комплементарных друг другу. Наличие комплементарных последователъностей в молекуле приводит к тому, что эти участки при достаточном сближении слипаются друг с другом благодаря образованию водородных связей между комплементарными нуклеотидами. В результате возникает сложная петлистая структура, напоминающая по форме листок клевера. К одному из концов молекулы т.-РНК присоединяется аминокислота (Д), а в верхушке "листка клевера" находится триплет нуклеотидов (Е), который соответствует по коду данной аминокислоте. Так-как существует не менее 20 различных аминокислот, то, очевидно, имеется не менее 20 различных т-РНК: на каждую аминокислоту - своя т-РНК.

Реакция матричного синтеза. В живых системах мы встречаемся с новым типом реакций, наподобие редупликации ДНК, или реакцией синтеза РНК. Такие реакции неизвестны в -'неживой природе. Их называют реакциями матричного синтеза.

Термином "матрица" в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах. Здесь происходит направленное стягивание так как в ходе нормальной жизнедеятельности молекулы белков постепенно денатурируются, структура и функции их нарушаются. Такие пришедшие в негодность молекулы белков удаляются из клетки. Взамен синтезируются новые полноценные молекулы, в результате состав и деятельность клетки не нарушаются. Способность к синтезу белка передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Сами ДНК непосредственного участия в синтезе не принимают. ДНК содержится в ядре клетки, а синтез белков происходит в рибосомах, находящихся в цитоплазме. В ДНК только содержится и хранится информация о структуре белков.

На длинной нити ДНК следует одна за другой запись информации о составе первичных структур разных белков. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК представляет собрание нескольких сот генов.

Чтобы разобраться в том, каким образом структура ДНК определяет структуру белка, приведем такой пример. Многие знают об азбуке Морзе, при помощи которой передают сигналы и телеграммы. По азбуке Морзе все буквы алфавита обозначены сочетаниями

коротких и длинных сигналов - точкам и тире. Буква А обозначается .--, Б. и т. д.

Собрание условных обозначений называют кодом или шифром. Азбука Морзе представляет собой пример кода. Получив телеграфную ленту с точками и тире, знающий код Морзе легко расшифрует написанное.

Макромолекула ДНК, состоящая из нескольких тысяч последовательно расположенных четырех видов нуклеотидов, представляет собой код, определяющий структуру ряда молекул белка. Так же как в коде Морзе каждой букве соответствует определенное сочетание точек и тире, так и в коде ДНК каждой аминокислоте соответствует определенное сочетание точек и тире, так и в коде ДНК каждой аминокислоте соответствует определенное сочетание последовательно связанных нуклеотидов.

Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность кода ДНК состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом . состоящих нуклеотидов. Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистеину, Ц-А-А - валину и. т. д. Допустим, что в гене нуклеотиды следуют в таком порядке:

А-Ц-А-Т-Т-Т-А-А-Ц-Ц-А-А-Г-Г-Г

Разбив этот ряд на тройки (триплеты), мы сразу расшифруем, какие аминокислоты и в каком порядке следуют в молекуле белка: А-Ц-А - цистеин; Т-Т-Т - лизин; А-А-Ц -лейцин; 13,-А-А - валнн; Г-Г-Г - пролин. В коде Морзе всего два знака. Для обозначения всех букв, всех цифр и знаков препинания приходится брать на некоторые буквы или цифры до 5 знаков. Код ДНК проще. Разных нуклеотидов 4. Число возможных комбинаций из 4 элементов по 3 равно 64. Разных аминокислот всего 20. Таким образом, различных триплетов нуклеотидов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Транскрипция. Для синтеза белка в рибосомы должна быть доставлена программа синтеза, т. е. информация о структуре белка, записанная и хранящаяся в ДНК. Для синтеза белка в рибосомы направляются точные копии этой информации. Это осуществляется с помощью РНК, которые синтезируются на ДНК и точно копируют ее структуру мономеров в определенное место клетки - на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.

Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК. Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты - в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, заданном порядке. Затем происходит "сшивание" мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сбрасывается с матрицы. После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти "сборка" только какого-то одного полимера.

Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного.

Трансляция. Информация о структуре белка, записанная в и-РНК в виде последовательности нуклеотидов, переносится далее в виде последовательности аминокислот в синтезируемой полипептидной цепи. Этот процесс называют трансляцией. Для того чтобы разобраться в том, как в рибосомах происходит трансляция, т. е. перевод , информации с языка нуклеиновых кислот на язык белков, обратимся к рисунку. Рибосомы на рисунке изображены в виде яйцевидных тел, унизывающих и-РНК с левого конца и. начинает синтез белка. По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК Когда рибосома продвинется вперед -на 50-100 А, с того же конца на и-РНК входит вторая рибосома, которая, как и первая, начинает синтез и движется вслед за первой рибрсомой. Затем на и-РНК вступает третья рибосома, четвертая и т. д. Все они выполняют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и

РНК. Чем дальше вправо продвинулась рибосома по и-РНК, тем больший отрезок белковой молекулы." собран". Когда рибосома достигает правого конца и-РНК, синтез окончен. Рибосома с образовавшимся белком сходит с и-РНК. Затем они расходятся рибосома - на любую и-РНК (так как она способна к синтезу любого белка; характер,белка зависит от матрицы), белковая молекула - в эндоплазматическую сеть и по ней перемещается в тот участок клетки, где требуется данный вид белка. Через короткое время заканчивает работу вторая рибосома, затем третья и т. д. А с левого конца и-РНК на нее вступают все новые, и новые рибосомы, и синтез белка идет непрерывно. Число рибосом, умещающихся одновременно на молекуле и-РНК, зависит от длины и-РНК; Так на молекуле и-РНК, которая программирует-синтез белка гемоглобина и длина которой около 1500 А, помещается до 5 рибосом (диаметр рибосомы приблизительно равен 2З0А).

Группу рибосом, помещающуюся одновременно на одной молекуле и-РНК, называют полирибосомой.