10. Муха Цеце ( Glossina palpalis)
Длина тела 9—14 мм. Муху цеце можно отличить от обычных в Европе домашних мух по характеру складывания крыльев (их концы плоско налегают друг на друга) и по прочному колющему хоботку, выступающему на передней части головы.
Ротовой аппарат насекомого снабжен весьма острыми зубками микроскопического размера, ими цеце разгрызает стенки кровеносного сосуда и таким образом добывает кровь (даже крокодилы, несмотря на свою толстую шкуру, не могут спастись от укусов мухи цеце). Слюна насекомого имеет особый фермент в своем составе, который не дает крови жертвы сворачиваться. Когда муха приступает к высасыванию крови, ее брюшко начинает резко увеличиваться в размерах. Муха цеце может выпить крови в количестве, равном ее собственному весу.
Примечательно, что у представителей этого рода кровь пьют как женские, так и мужские особи, это качество отличает их от кровососущих «собратьев» — комаров.
Цеце удивительно живуча: даже если прихлопнуть муху чем-нибудь, она снова полетит, и будет стараться укусить свою жертву.
Эти мухи – живородящие насекомые. Спаривается цеце лишь однажды в жизни, после того как насосется крови. За всю жизнь самка рожает около 12 личинок(по одной личинке раз в две недели). Придет время, муха усаживается на земле в прохладном и влажном укромном местечке. Родившаяся личинка зарывается в землю, окукливается, и превращается через месяц во взрослую особь.
ЛЕКЦИЯ 1 Типы клеточной организации.
1. Эволюционно-обусловленные уровни организации жизни.
М о л е к у л я р н ы й.
Любая живая система, даже сложно организованная, состоит из макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.
|
|
К л е т о ч н ы й.
Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица развития всех живых организмов. На этом уровня сопрягаются передача информации и превращения веществ и энергии.
Организменный.
Элементарной единицей этого уровня жизни является особь, рассматриваемая от момента рождения до смерти. Возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций.
Популяционно-видовой. Популяция рассматривается как надорганизменная система, или как совокупность организмов данного вида, объединённых общим местом обитания. В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.
Биогеценотический.
В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются устойчивые сообщества, привязанные к факторам среды их обитания.
Биосферный.
Биосфера – совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные и жизнедеятельностью всех живых организмов.
2. Клетка - элементарная генетическая и структурно-функциональная биологическая система.
Клетка является элементарной, т.е. наименьшей, самостоятельной единицей строения, функционирования и развития всех живых организмов. Все живые организмы состоят из клеток (исключение составляют вирусы).
|
|
Клетка является генетической единицей, так как имеет ядро, содержащее ДНК, в которой записана информация о строении и функциях клетки. При делении клетки эта информация наследуется дочерними клетками.
Клетка является структурно-функциональная биологическая система: живая клетка включает в себя подсистемы – органеллы, органеллы выполняют определенные функции и в тоже время они все вместе обеспечивают жизнедеятельность клетки.
3. Клеточная теория. Современное состояние клеточной теории.
Началом изучения клетки можно считать 1665г., когда Р. Гук увидел в микроскоп на тонком срезе пробки мелкие ячейки, названные им клетками. В 30-е годы XIX века Р. Броун открыл ядро, что создало основу для сопоставления всех клеток.
В 1839г. Т. Шванн и М. Шлейден обобщили накопленный материал и сформулировали основное положение: все растительные и животные организм состоят из клеток, сходных по строению.
В 1858г. Р. Вирхов внёс очень важное дополнение в клеточную теорию – он доказал, что количество клеток увеличивается только одним способом – в результате деления. Таким образом, клетка происходит только от клетки.
Благодаря применению физических и химических методов исследования и новейших приборов, основные положения клеточной теории были развиты и углублены. Современная клеточная теория включает следующие положения:
1. клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого;
2. клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;
|
|
3. клетки размножаются делением, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;
4. клетки многоклеточных организмов специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани;
5. ткани образуют органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.
Вывод.
Клетка – живая элементарная открытая система, являющаяся основной структурно-функциональной единицей всех живых организмов, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.
4. Клетка как открытая система. Организация потоков в-ва, энергии и информации в клетке.
Клетка является открытой системой. Это значит, что в клетку из внешней среды (если это организм человека, то из ЖКТ) поступают с заключенной в них энергией. Эти вещества используются в процессе жизнедеятельности клетки, а образующиеся при этом продукты метаболизма удаляются из клетки во внешнюю среду.
Поток вещества: человек съел яйцо → в ЖКТ оно переварилось → аминокислоты всосались в кровь и поступили в клетку → из них синтезируются видоспецифические белки, которые обеспечивают жизнедеятельность клетки → в процессе жизнедеятельности клетки белки изнашиваются, стареют, разрушаются → конечные продукты обмена белка (NH3, СО2 и Н2О) выводятся из клетки.
Поток энергии тесно связан с потоком вещества. Организм поглощает пищу (питание необходимо для обеспечения организма энергией и строительным материалом); часть пищи преобразуется в митохондриях в АТФ, а часть запасается в виде гликогена.
Поток информации: в клетке постоянно происходит синтез белка. Информация о структуре белка записана в ДНК. В процессе транскрипции она переносится на и-РНК, а в процессе трансляции на полипептид.
5. Типы клеточной организации. Особенности строения прокариотической клетки.
Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы:
· прокариоты (про – до, карион – ядро), или предъядерные. К ним относятся только бактерии.
· эукариоты (эу – настоящие, карион – ядро), или ядерные. Это все остальные организмы.
Эукариотическая клетка состоит из следующих компонентов: ядерная оболочка, ядерный матрикс, ядерный сок, ядрышко, хромосомы.
Клетки прокариот имеют более простое строение:
1. нет организованного ядра, т.е. ядерное вещество не отделено от цитоплазмы собственной мембраной. Ядерное вещество представлено единственной хромосомой, состоящей из 1 молекулы ДНК, замкнутой в кольцо;
2. из органоидов присутствуют только многочисленные, но мелкие рибосомы;
3. функцию митохондрий выполняют ферменты, лежащие непосредственно на плазматической мембране и образующие дыхательную цепь;
4. нет клеточного центра, следовательно, нет митоза (делятся амитозом);
5. отсутствует циклоз (постоянное круговое движение цитоплазмы с органоидами в клетке) и амёбоидное движение
6. отсутствуют внутренние мембраны, делящие клетку на отсеки, в которых протекают противоположные процессы.
При всей простоте строения прокариоты – типичные клетки, способные вести независимое существование.
6. Организация животной эукариотической клетки.
· имеется оформленное ядро, в котором располагается молекула ДНК;
· имеется развитая система мембран и соответственно органоиды мембранного строения: ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии;
· имеется клеточный центр, поэтому размножаются митозом;
· могут передвигаться при помощи ложноножек (амеба);
· имеется циклоз;
· присуще явление компартментации – с помощью биологических мембран обеспечивается пространственное разделению веществ и процессов в клетке. Отдельный компартмент представлен органеллой или ее частью (пространство, отграниченное внутренней мембраной митохондрии)
7. Строение и функции оболочки животной эукариотической клетки.
Эукариотическая клетка отделена от внешней среды или соседних клеток плазматической мембраной, или плазмалеммой.
Среди многочисленных моделей мембран, наиболее универсальной оказалась так называемая "жидкостно-мозаичная" модель. Согласно ей основой мембраны является жидкостный билипидный слой, образованный строго ориентированными фосфолипидными молекулами. Двойной слой фосфолипидных молекул обращен друг к другу гидрофобными участками, а внешняя и внутренняя поверхности билипидного слоя образованы гидрофильными участками молекул.
Белки, входящие в мембрану, не составляют сплошного слоя на внутренней и внешней поверхности билипидного слоя, а расположены мозаично. Среди белков выделяют интегральные и периферические мембранные белки. Интегральные белки пронизывают мембрану насквозь или погружены в липидный слой частично. Периферические белки располагаются на поверхности мембраны. Такая структура позволяет рассматривать мембрану как жидкомозаичное образование: в двухмерном "море" липидов плавают белковые "айсберги".
На плазмалемме животных клеток находится гликокаликс – соединение белков и полисахаридов. Он непосредственно связывает клетку с внешней средой и служит для распознавания сигналов, поступающих из неё. Он же связывает клетки в ткани. Образуется гликокаликс благодаря жизнедеятельности самих клеток.
Функции плазматической мембраны:
· барьерная (ограничивающая клетку от соседних клеток)
· обеспечение контактов между клетками
· сигнальная (рецепторная) – на поверхности мембраны находятся рецепторы, которые воспринимают сигналы из внешней среды
· транспортная – регулирует транспорт веществ, т. к. обладает избирательной проницаемостью.
8. Трансмембранный транспорт веществ в клетку.
Существует 5 способов поступления веществ в клетку: диффузия, облегчённая диффузия (пассивный транспорт), осмос, активный транспорт, эндоцитоз. Два последних способа сопровождаются затратами энергии.
Диффузия – перемещение вещества из области большей концентрации в область меньшей концентрации без затраты энергии. Движущей силой диффузии является градиент (разность) концентрации. Диффузия будет действовать до тех пор, пока концентрация вещества в двух областях не выровняется. Так перемещаются О2, СО2, С6 Н12 О6, аминокислоты, жирные кислоты, этанол.
Облегчённая диффузия или пассивный транспорт. В этом случае молекула специального белка-переносчика соединяется с переносимой молекулой на одной стороне мембраны и «перетягивает» её на другую сторону мембраны. Перенос веществ в этом случае осуществляется также по градиенту концентрации и без затраты энергии. Так перемещаются сахара, аминокислоты, нуклеотиды и ионы.
Осмос – перемещение молекул воды через полупроницаемую мембрану, вызванное разностью концентрации. Клетка, помещённая в чистую воду, насасывает её по градиенту своей концентрации. Клетка, помещённая в насыщенный раствор, отдаёт воду и сморщивается. Например, эритроциты в гипотоническом растворе набухают и лопаются, а в гипертоническом – сморщиваются.
Активный транспорт – перемещение веществ против их градиентов концентрации, т.е. из области меньшей концентрации в область большей концентрации. На это требуется энергия, источником её служит АТФ. Этот способ характерен только для ионов питательных веществ, следовательно, клетка обладает избирательной способностью по отношению к различным ионам.
Эндоцитоз – перемещение веществ с помощью выростов и выпячиваний плазмалеммы. Эндоцитоз делится на фагоцитоз и пиноцитоз. Оба этих процесса требуют затраты энергии.
Фагоцитоз – захват выростами плазмалеммы крупных частиц, диаметром 1мм и более и втягивание их в цитоплазму клетки. Здесь происходит их ферментативное расщепление. Клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами (нейтрофилы и макрофаги).
Пиноцитоз – поглощение пузырьков жидкости. В месте соприкосновения с пузырьком плазмалемма образует впячивание в виде канальца, который заполняется жидкостью. Затем он отшнуровывается и попадает в цитоплазму. Пиноцитоз характерен для лейкоцитов, клеток зародыша и печени. Путём пиноцитоза поглощаются крупные молекулы и ионы, не способные проникать через поры плазмалеммы.
Из клетки во внешнюю среду вещества поступают с помощью экзоцитоза. Так из секреторных клеток, через их мембрану, выводятся пищеварительные ферменты или гормоны, а из пищеварительных вакуолей – непереваренные плотные частицы.
9.Цитоплазма: основное вещество, цитоскелет, органеллы.
Основное вещество цитоплазмы представлено гиалоплазмой (матрикс). Это коллоидная система органических и неорганических веществ, способная к переходам из состояния золя в состояние гель и наоборот. В гиалоплазме на долю белков приходится 20-25% от общего количества белка в эукариотической клетке и до 50% в прокариотической клетке.
Функции гиалоплазмы:
· соединение компонентов цитоплазмы в единое целое
· участие в транспорте веществ
· в гиалоплазме протекает гликолиз
· в гиалоплазме накапливается АТФ и включения.
Цитоскелет клетки представлен микротрубочками и микрофиламентами.
Микротрубочки – полые цилиндры диаметром 20-30нм, образованные белком тубулином.
Микротрубочи играют роль цитоскелета, т.к. пронизывают всю цитоплазму клетки. Кроме того, микротрубочки участвуют в создании клеточного центра, жгутиков, ресничек и в транспорте веществ внутри клетки.
Микрофиламенты – это белковые нити толщиной около 4нм. Большинство из них образовано молекулами актинов, которых выявлено около 10 видов. Они могут группироваться в пучки, образующие опорные структуры цитоскелета.
Органеллы животной клетки: ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды, рибосомы, клеточный центр.
Органоиды клетки делятся на органоиды общего назначения и специального назначения.
Органоиды специального назначения встречаются только в специализированных клетках и обеспечивают выполнение этими клетками специфических функций. К ним относятся миофибриллы мышечной клетки, ресничный эпителий дыхательных путей, ворсинки тонкого кишечника, жгутик сперматозоида.
Органоиды общего назначения присущи всем клеткам. К ним относятся эндоплазматическая сеть, лизосомы, митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, клеточный центр, микротрубочки и микрофиламенты, а также пластиды (последние только у растений).
Эндоплазматическая сеть представлена сетью каналов и уплощённых цистерн, ограниченных одинарной мембраной. Она разветвляется по всему объёму цитоплазмы, что позволяет ей выполнять следующие функции:
· механическая – обеспечение постоянной формы клетки;
· увеличение площади внутренней поверхности клетки;
· транспортная – перенос веществ между органоидами клетки, органоидами и ядром, клеткой и внешней средой;
ЭПС подразделяется на два типа: шероховатую и гладкую. Шероховатая имеет на наружной поверхности многочисленные рибосомы, на которых синтезируется белок. Гладкая сеть состоит из каналов и цистерн меньшего сечения, чем в шероховатой ЭПС. Она выполняет следующие функции:
· синтез липидов, входящих в состав мембран;
· синтез предшественников стероидных гормонов;
· обезвреживание вредных продуктов метаболизма;
Лизосома. Это пузырёк диаметром 0,2 - 0,5 мкм, покрытый однослойной мембраной. Эта мембрана предохраняет структуры и вещества клетки от разрушающих действий ферментов лизосом. При нарушений её целостности ферменты выходят в цитоплазму клетки, и происходит автолиз – самопереваривание клетки. Ферменты лизосом способны расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды.
Функции лизосом:
1. осуществляют внутриклеточное пищеварение; лизосомы – миниатюрная пищеварительная система клетки;
2. удаляют отжившие органоиды клетки или личиночные органы. Так, хвост у головастика лягушек рассасывается под действием фермента лизосом – катепсина;
3. превращают вредные для клетки вещества в перевариваемые продукты;
4. участвуют в защите клетки то бактерий и вирусов (вирусы замуровываются в лизосоме).
Образуются лизосомы в комплексе Гольджи: сюда поступают синтезированные на рибосомах ферменты, здесь они окружаются мембраной и выводятся в цитоплазму. Это первичные (неактивные) лизосомы. Вторичные (активные) лизосомы образуются из первичных. Они подразделяются на фаголизосомы и аутолизосомы. Фаголизосомы переваривают материал, поступающий в клетку путём фагоцитоза и пиноцитоза. Аутолизосомы разрушают собственные, изношенные структуры клетки. Вторичные лизосомы, в которых процесс переваривания завершён, называются остаточными тельцами. В них отсутствуют ферменты, и содержится материал, который не может быть разрушен.
Митохондрия (1-5 мкм) – двумембранный органоид, выполняющий функцию внутриклеточной энергетической станции. Это округлые образования, ограниченные двумя мембранами – наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, она регулирует как поступление веществ в митохондрию, так и выведение их. Внутренняя мембрана образует складки – кристы, обращённые внутрь митохондрии. Внутри митохондрии находится так называемый матрикс, содержащий различные ферменты, ионы Са2+ и Мg2+, а также ДНК, т-РНК, и-РНК и рибосомы (причём ДНК и рибосомы у митохондрий похожи на таковые эубактерий).
Благодаря наличию собственной ДНК (1 молекула кольцевой формы), митохондрии могут размножаться независимо от деления клетки. Происходит это путём перешнуровки исходной митохондрии. Предварительно у них удваивается количество ДНК. Благодаря содержанию т-РНК,
и-РНК и рибосом, митохондрии они могут синтезировать собственный белок.
Кроме того, митохондрии играют определённую роль в передаче признаков по наследству (цитоплазматическая наследственность).
На кристах митохондрии происходят окислительно-восстановительные процессы, сопровождающиеся выделением энергии. Она используется на образование фосфатных связей в АТФ. Накопление АТФ делает митохондрии своеобразными аккумуляторами энергии клетки, которая расходуется на процессы жизнедеятельности клетки по мере надобности. Из-за интенсивной работы митохондрии имеют малую продолжительность жизни, например митохондрии клеток печени живут всего 10 дней.
Аппарат Гольджи представляет собой систему диктиосом числом от нескольких десятков до нескольких сотен и даже тысяч на клетку. Каждая диктиосома образована стопкой из 3-12 крупных цистерн, похожих на блюдца. От цистерн отходят во все стороны трубочки и пузырьки, имеющие мембранное строение. Трубочки соединяют отдельные цистерны соседних стопок, так образуется их единая сеть. Пузырьки участвуют в образовании первичных лизосом. В разных типах клеток аппарат Гольджи занимает строго определённое положение, вблизи ядра.
Функции аппарата Гольджи разнообразны:
1. образование первичных лизосом, которые поступают затем в цитоплазму;
2. упаковка белков, поступающих из ЭПС, для последующего экспорта из клетки;
3. синтез структурных компонентов клетки, например, коллагеновых нитей;
4. синтез жиров и полисахаридов, входящих в состав мембран клетки;
Рибосома (0,02-0,03 мкм) – не мембранный органоид, осуществляющий биосинтез белка. Рибосома состоит из двух неравных субъединиц – большой и малой. Обе субъединицы образуются в ядрышках, но объединяются они в рибосому только в момент присоединения к и-РНК. Этот процесс происходит с помощью ионов Мg2+.
В каждой клетке содержится от десятков тысяч до миллионов рибосом. Часть их находится в свободном состоянии, но большинство рибосом прикреплено к мембранам ЭПС. Первые синтезируют белки, используемые для нужд клетки, вторые синтезируют белки "на экспорт". Они по каналам ЭПС поступают в комплекс Гольджи, пакуются в мембраны, а затем выводятся из клетки. Скорость работы рибосом поразительна – одна белковая молекула средних размеров синтезируется за одну минуту. Это позволяет непрерывно обновлять белки организма, изнашивающиеся в процессе его жизнедеятельности. Так, белки печени человека обновляются за 7 суток.
Клеточный центр – не мембранный органоид, в котором из белка тубулина образуются микротрубочки. Клеточный центр состоит из двух центриолей, расположенных перпендикулярно друг к другу. Каждая центриоль – это цистерна, состоящая из 9 строенных микротрубочек. Микротрубочки соединены между собой системой связок, а снаружи одеты белковым чехлом. Перед делением клетки центриоли удваиваются. Во время митоза центриоли определяют местоположения полюсов веретена деления. Причём положение центриолей в делящейся клетке определяет центры новых клеток. Здесь будет располагаться ядро, т.к. клеточный центр всегда располагается вблизи ядра.
9. Включения
Это непостоянный компонент цитоплазмы. Наличие их и количество зависит от интенсивности обмена веществ и состояния организма. Они делятся на три группы:
1. питательный запасный материал (гликоген, жир, желток яйцеклетки);
2. вещества, подлежащие выведению из клетки для выполнения своих функций в организме (ферменты, гормоны);
3. балластные вещества (накопление с возрастом в нервных волокнах, в клетках скелетных мышц и миокарда пигмента изнашивания, или липофусцина).
ЛЕКЦИЯ 2 Ядро клетки. Наследственный аппарат клеток человека.
1. Строение и функции ядра.
Ядро находится либо в центре клетки, либо смещено на периферию, его форма зависит от формы клетки. Обычно клетка содержит одно ядро, хотя бывают двуядерные клетки (печень) и многоядерные (остеокласты содержат до 100 ядер).
Важным показателем состояния клетки является ядерно-цитоплазматическое соотношение, т.е. отношение объёма ядра к объёму цитоплазмы. Это отношение постоянно, когда оно изменяется (увеличивается объём ядра), клетка начинает делиться.
Ядро эукариотической клетки имеет собственную мембрану, отграничивающую его от цитоплазмы. Мембрана имеет 2 слоя – наружный и внутренний – между ними находится околоядерное (перинуклеарное) пространство, связанное с ЭПС.
Функции ядерной оболочки:
1. отграничивает содержимое ядра от цитоплазмы
2. обеспечивает взаимодействие (обмен веществ) между ядром и цитоплазмой
Ядерная оболочка имеет отверстия – поры. Но они не сквозные, а заполнены специальными белками. Через поры из ядра в цитоплазму и наоборот осуществляется транспорт молекул крупных белков, молекул РНК и субъедиц рибосом. Сама же мембрана ядерной оболочки обеспечивает прохождение в обоих направлениях низкомолекулярных соединений (аминокислоты, сахара, ионы металлов, нуклеотиды, мелкие белки). Количество пор в оболочке ядра зависит от его активности, в клетке человека обычно имеется 3-4 тыс. пор.
Внутренняя мембрана ядерной оболочки имеет белковую подстилку, к которой крепятся хромосомы. Это обеспечивает их упорядоченное расположение.
Под мембраной находится ядерный матрикс, ядерный сок, ядрышко и хромосомы.
Ядерный матрикс – это сетчатая структура, состоящая из плотно упакованных нитей (фибрилл) белков. Ядерный матрикс является каркасом клетки.
Ядерный сок (кариоплазма ) заполняет всё пространство клетки. Это бесцветная коллоидная слабокислая (рН = 6 – 6.5) масса. В основе ядерного сока лежат белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, минеральные соли. Кариоплазма осуществляет взаимосвязь всех ядерных структур.
Ядрышко – это округлый, уплотнённый, не ограниченный мембраной участок клеточного ядра диаметром 1-2 мкм и больше. Форма, размеры и количество ядрышек зависят от функционального состояния ядра: чем крупнее ядрышко, тем выше его активность. В ядре их может содержаться от 1 до 10, а в ядрах дрожжей они отсутствуют. В клетках человека ядрышки образуются в определённых участках хромосом № 13, 14, 15, 21, 22. Эти участки расположены в области вторичной перетяжки хромосомы и называются ядрышковым организатором или ядрышкообразующим районом, их 10 штук.
Функция ядрышек состоит в синтезе белка и р-РНК и последующей сборке рибосом.
Выделяют 4 типа рРНК: 18S, 28S, 5,8S, 5S. Гены, кодирующие синтез рРНК 18S, 28S, 5,8S находятся в ядрышкообразующих районах хромосом, а гены, отвечающие за синтез рРНК 5S, находятся в других участках хромосом. В ядрышке собираются обе частицы рибосомы, но выйдя из ядра, рибосома распадается на большую и меньшую субъединицы.
2. Наследственный аппарат клеток. Химическая и структурная организация хромосом.
Основное вещество ядра – хроматин. Он состоит из ДНК (~35%), белков (~65%), а также углеводов, РНК, Мg2+ (менее 1%). Белковая часть хроматина представлена кислыми белками и оснОвными белками (гистонами). На гистоны приходится 80% от всех белков, и они играют важнейшую роль в хроматине. Выделяют пять классов гистонов: Н1, Н2А, Н2Б, Н3, Н4.
Т.к. гистоны являются осноОвными или щёлочными белками, они имеют положительный суммарный заряд (благодаря большому содержанию аминокислот лизина и аргенина, которые имеют по две аминогруппы, заряженные положительно). Суммарный заряд ДНК отрицательный (счет остатка фосфорной кислоты), поэтому белки прочно связаны с молекулой ДНК.
Перед митозом хроматин уплотняется за счет спирализации ДНК и приобретает определённую форму и размеры. Теперь он называется хромосомой. Хромосома – структурное образование, хроматин – химический эквивалент хромосом.
Структурная организация хромосом достаточно сложная.
В интерфазном ядре принято выделять 5 уровней структурной организации хромосом:
1) формирование нуклеосом. Белки гистоны H2A, H2B, H3, H4, (по 2 молекулы каждого) образуют остов нуклеосомы (катушку), вокруг этой основы ДНК делает примерно 2 витка (146 п.н.). Соседние нуклеосомы связываются гистоном H1, так образуется нуклеосомная нить. Диаметр нуклеосомной нити 11нм, размер молекулы ДНК уменьшается в 7 раз.
2) формирование соленоидоподобных фибрилл. Длина ДНК на этом уровне уменьшается в 50 раз.
3) формирование петель. Соленоидоподобные фибриллы складываются в петли. ДНК человека образует до 2.000 петель. Длина ДНК уменьшается в 1.000 раз. Эти три уровня спирализации ДНК происходят во время интерфазы.
4) формирование хроматид; петли ещё больше спирализуются, и диаметр хроматиды становится равным 700нм.
5) образование хромосомы за счёт объединения хроматид; диаметр хромосомы = 1400нм.
4 и 5 уровни спирализации ДНК происходит во время профазы митоза. В конечном итоге размер ДНК уменьшается в 10.000 раз.
Значение компактизации хромосом состоит в облегчении их перемещения в дочерние клетки во время митоза.
3. Характеристика ДНК. Молекулярное строение гена у прокариот и эукариот.
Роль хранителя наследственной информации у всех организмов принадлежит ДНК. Эта кислота была открыта в 1869г. Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов, но строение её было выяснено только в 1953г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком. В своих исследованиях эти учёные опирались на данные рентгеноструктурного анализа молекулы ДНК и на установленное Э. Чаргаффом правило: в молекуле ДНК число пуриновых оснований строго соответствует числу пиримидиновых оснований.
ДНК – полимер, состоящий из десятков (или сотен) миллионов мономеров – дезоксирибонуклеотидов. В состав каждого дезоксирибонуклеотида входит азотистое основание, углевод (сахар дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты (фосфат). Нуклеотиды ДНК отличаются друг от друга основаниями. Различают пуриновые основания: аденин (А) и гуанин (Г) и пиримидиновые основания: цитозин (Ц) и тимин (Т). Нуклеотиды ДНК называются соответственно: адениловый, гуаниловый, цитидиловый, тимидиловый.
Нуклеотиды ДНК соединены последовательно в цепочку за счет фосфодиэфирных мостиков, образующихся между углеводом одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты соседнего. Иначе говоря, остаток фосфорной кислоты связывает углеводы соседних нуклеотидов.
Читать последовательность нуклеотидов в ДНК принято от пятого атома сахара к третьему атому. Поэтому в цепочке ДНК первым будет стоять 5' нуклеотид, а последним 3'нуклеотид. Поэтому полинуклеотидная цепь полярной.
ДНК – это две цепочки, закрученные вправо и антипараллельные (напротив 5' нуклеотида одной цепочки расположен 3' нуклеотид второй цепочки).
В каждой цепочке, основания которых обращены внутрь спирали и образуют пары таким образом, что (А) одной цепи всегда находится против (Т) другой цепи, а (Г) – против (Ц). Между этими парами оснований образуются водородные связи: две между А и Т и три между Г и Ц. В каждом сочетании оба нуклеотида как бы дополняют друг друга, они комплементарны. Комплементарность – взаимное соответствие в химическом строении молекул, обеспечивающее их взаимодействие. Комплементарные структуры подходят друг к другу как ключ к замку.
На один виток спирали ДНК приходится 10 нуклеотидных остатков. Т.к. расстояние между соседними нуклеотидами = 0,34 нм, шаг спирали составляет 3,4 нм.
Диаметр спирали – около 2 нм. Длина спирали может измеряться в метрах.
Описанное выше строение присуще В-форме ДНК (правозакрученной). А. Рич обнаружил существование левозакрученной ДНК, у неё ход цепей зигзагообразный, а не гладкий. Это Z-форма ДНК, она образуется во время кроссинговера.
4. Геном клетки.
В ДНК заложена вся наследственная (генетическая) информация. Структурно-функциональной единицей генетической информации является ген.
Ген – последовательнось нуклеотидов ДНК, которая содержит информацию о последовательности
аминокислот в полипептиде, либо о последовательности нуклеотидов какого-либо вида РНК (прежде всего рРНК и тРНК).
Геном – суммарная ДНК гаплоидного набора хромосом клеток организма. У разных организмов геном имеет различные размеры, т.е. разное количество нуклеотидных пар (А – Т, Г– Ц). Так у прокариот в геноме содержится до 8х106 п.н., у эукариот – 106 - 1011 п.н.
Например, геном кишечной палочки содержит 4х106 п.н., геном дрозофилы – 1,4х108 п.н., а геном человека – 3,3х109 п.н.
Одним из самых больших геномов обладают хвостатые амфибии и двоякодышащие рыбы – примерно 120 пг (пикограмм) ДНК.
5. Молекулярное строение гена у эукариот. Уникальные гены и повторяющиеся последовательности на нити ДНК, их функциональное значение.
В процессе эволюции количество ДНК у эукариотических организмов возросло в 1000 раз, а количество генов увеличилось в гораздо меньшей степени. Например, у бактерий в единственной хромосоме содержится примерно 1.000 генов, а в геноме человека содержится 22-24.000 генов. Такое непомерное увеличение количества ДНК по сравнению с увеличением числа генов называется избыточностью ДНК.
В эукариотической клетке только 3% ДНК являются генами. Из них 1,2% генов кодируют структуру белков, и 1,8% генов кодируют РНК.
В силу избыточности ДНК у эукариотов в их геноме выделяют 3 класса последовательностей нуклеотидов:
1) редко повторяющиеся последовательности нуклеотидов (уникальные гены)
2) умеренно повторяющиеся последовательности нуклеотидов
3) высоко (многократно) повторяющиеся последовательности нуклеотидов
Уникальные гены:
а) составляют 60-70% ядерной ДНК, это гены подавляющего числа белков клеток человека
б) встречаются один или несколько раз в геноме
в) представлены структурными генами и внутригенными некодирующими областями
Для уникальных генов характерно экзонно-интронное строение: кодирующий участок – экзон чередуется с не кодирующим участком – интроном. Экзон – это фактически ген. Количество экзонов в уникальном гене различно: от 1 до 364, но в среднем 8.
Умеренно повторяющиеся последовательности нуклеотидов
а) составляют 10-15% ядерной ДНК
б) повторяются в геноме сотни и тысячи раз
в) представлены генами рРНК и белков гистонов
межгенный межгенный
кластер генов рРНК спейсер кластер генов рРНК спейсер
Многократно-повторяющиеся последовательности нуклеотидов
а) составляют 25-28% ядерной ДНК
б) повторяются в геноме сотни тысяч и миллионы раз
в) имеют размер от нескольких нуклеотидов до нескольких сотен
г) входят в состав структурного гетерохроматина
Предполагаемая роль многократно повторяющихся последовательностей:
а) узнавание гомологичных участков хромосом во время кроссинговера,
б) разделение структурных и регуляторных генов в кодирующих участках ДНК,
в) регуляция функции генов.
| Прокариоты | Эукариоты |
| на гены приходится 90% ДНК | на гены приходится 30% ДНК |
| кодирующая область непрерывна (нет интронов) | экзон-интронная структура |
| ген следует за геном | кодирующая область составляет 3% |
| нет повторяющихся последовательностей | повторяющиеся последовательности есть (у человека до 50%) |
6. Характеристика метафазных хромосом.
Хромосомы максимально спирализованы в метафазу митоза и их можно увидеть в световой микроскоп.
Каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые соединяются с помощью первичной перетяжки (центромеры). Центромера состоит из повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Функциицентромеры:
- удержание хроматид
- правильное выстраивание хромосом в метафазной пластинке
- прикрепление хромосом к веретену деления
- здесь находится участок, который контролирует переход клетки в стадию анафазы
В зависимости о положения первичной перетяжки выделяют следующие виды хромосом:
1. Метацентрическая (равноплечая) – центромера делит хромосому на два равных плеча
2. Субметацентрическая (умереннонеравноплечая) – центромера делит хромосому на два слабо неравных плеча
3. Очень субметацентрическая (выраженная неравноплечая) – центромера делит хромосому на два резко неравных плеча
4.
Иногда на одном из плеч хромосомы может находиться вторичная перетяжка, которая отделяет спутник. Такие хромосомы называются спутниковыми, у ч