Цитологические основы наследственности

Лекция 3

1. Материальная сущность наследственности.

2. Клетка и ее основные структуры

3. Хромосомы.

4. Белки.

Под наследственностью понимается свойство родителей передавать свои признаки и особенности развития следующему поколению. Благодаря этому из зиготы (исходной клетки) при половом размножении или из группы соматических клеток при бесполом размножении возникает новый организм с комплексом признаков, свойств и особенностей развития, присущим его родителям. Такое сходство обусловлено тем, что с самого начала и на протяжении всей жизни дочерний организм развивается в основном так же, как и родители. Но для этого необходима вполне определенная четкая программа. Поскольку связь между поколениями осуществляется через клетку, то следовательно, эта программа заключена в клетках. Что же собой представляет «программ» и где она находится? Вспомним сначала, что собой представляет клетка.

Клетки – структурные и функциональные единицы живых организмов. Мельчайшие живые организмы состоят из одной клетки, самые крупные – из миллиардов клеток, каждая из которых выполняет определенную функцию и относительно независима.

Растительная клетка состоит из клеточной оболочки и протопласта. Протопласт состоит из цитоплазмы и ядра. В цитоплазме находятся органеллы (рибосомы, митохондрии, пластиды) т мембранные системы. Кроме того, цитоплазма включает в себя цитоплазматический матрикс, или основное вещество, в которое погружены органеллы и мембранные системы. Цитоплазма отделена от клеточной оболочки плазматической мембраной. В живой растительной клетке основное вещество находится в постоянном движении, что способствует передвижению веществ в клетке, обмену между клетками и окружающей средой.

Все основные жизненно важные процессы происходят в цитоплазме. Для жизнедеятельности клетки необходима энергия. Ее доставляют в клетку некоторые соединения, в частности, глюкоза. В специальных структурах, которые называются митохондриями, энергия, заключенная в химических связях этих соединений, извлекается и преобразуется так, чтобы клетки могли ее использовать. Следовательно, митохондрии можно сравнить с энергетическими станциями, поставляющими энергию для клетки.

В процессе обмена веществ в клетку проникают различные сложные вещества. Чтобы быть использованными клеткой, они должны расщепиться на более простые составные элементы. Эти процессы происходят в особых тельцах, называемых лизосомами. Лизосомы – это своеобразные химические цеха клетки.

Наряду с расщеплением в клетках идут процессы синтеза различных соединений и в первую очередь белков. Синтез осуществляется в мельчайших тельцах – рибосомах, которыми усеяна эндоплазматическая сеть. На рибосомах идет сборка белковых молекул, и поэтому их называют фабриками белка или сборочными станками. В цитоплазме растительных клеток имеются также пластиды, которые осуществляют фотосинтез (хлоропласты), синтез крахмала и пигментов (лейкопласты и хромопласты).

Ядросоставляет примерно одну треть веса клетки, и занимают 10-20 % от общего объема. В каждой клетке ядро имеет зернистый сетчатый вид благодаря нитям хроматина. Кроме хроматина в ядре содержится одно или несколько ядрышек. Ядро отделяется от цитоплазмы оболочкой с многочисленными порами, через которые осуществляется взаимообмен различными веществами между ядром и цитоплазмой.

Биохимическую основу ядра составляют белки, нуклеиновые кислоты, липоиды. Присутствуют также различные минеральные соли, в основном соли кальция и магния.

Ядро является важнейшей частью клетки, без которой клетка не может жить. Оно играет активную роль в метаболизме клетки, в стимуляции синтеза белков ex situПочти вся наследственная информация храниться в особых хромотиновых нитях, при делении клетки превращающихся в хромосомы и являющихся неотъемлемой составной частью ядра. Именно на них записана та наследственная программа, по которой должно идти развитие нового организма.

Главными клеточными структурами, ответственными за хранение и передачу наследственной информации, являются хромосомы

Разные виды организмов различаются между собой не только числом хромосом в наборе, но и их индивидуальной морфологией. При описании отдельных хромосом обычно указывают на следующие признаки: размер хромосомы и ее отдельных частей, наличие и местоположение первичных и вторичных перетяжек, присутствие спутника хромосомы. Совокупность всех морфологических признаков (включая и число хромосом), по которым возможна идентификация данного хромосомного набора, называется кариотипом, а графическое изображение кариотипа – идиограммой

Форма каждой хромосомы определяется положением первичной перетяжки, где расположена центромера. Если центромеро локализована в хромосоме посередине, то такая хромосома выглядит как равноплечная, или метацентрическая. Концевые сегменты хромосом называются теломерами. Если первичная перетяжка делит хромосому на две неравные теломеры, то образуется или слабонеравноплечная, субметацентрическая, или резко неравноплечная, акроцентрическая хромосома. Кроме первичной перетяжки хромосомы могут иметь вторичные перетяжки. Иногда вторичные перетяжки очень заметны и отделяют от основной части хромосомы небольшой фрагмент, называемый спутником. Такие хромосомы называются спутниковыми.

Кариотип является одной из основных характеристик того или иного вида растений. В лесной генетике и селекции кариотипический анализ необходим при оценке причин нескрещиваемости. В последние годы особое внимание уделяется изучению роли кариотипической изменчивости в видообразовании.

Морфология хромосом лучше изучена у хвойных, чем у лиственных пород. Дело в том, что у покрытосемянных хромосомы мелкие и их различие трудно уловить в световом микроскопе. Даже у хвойных видов, имеющих сравнительно крупные хромосомы, они определяются с трудом, так что приходится описывать не хромосомы, а их группы. Различия между видами могут выражаться в количестве групп одинаковых хромосом, в абсолютной длине диплоидного набора хромосом, объеме клеточного ядра.

Вторичные перетяжки являются для хвойных растений важным морфологическим признаком кариотипа. Различия кариотипа между популяциями одного вида чаще всего ограничиваются числом и локализацией вторичных перетяжек. Район вторичной перетяжки на хромосоме считается ядрышкообразующим, ответственным за синтез рибосомной РНК. Поэтому наличие определенного числа вторичных перетяжек может свидетельствовать об уровне обменных процессов в клетке, организме и в популяции в целом.

Нередко виды, принадлежащие к одному роду и даже разные роды в своих соматических клетках имеет одинаковое число хромосом. Например, пихта, ель, сосна, лиственница имеют кариотипы, равные 24 хромосомам, однако морфология хромосом у них разная. Число хромосом у осины и ивы равно 38, у ольхи черной и березы бородавчатой – 28, у дуба черешчатого и бука – 24, у ясеня обыкновенного – 46, а у лещины 22 хромосомы.

Число хромосом в клетках организма не связано с уровнем его организации. Например, у сазана = 104, а у человека – 46. Близкие роды могут иметь большие различия в числе хромосом, и наоборот, далекие роды содержат одинаковое число хромосом. У различных видов хромосомы бывают разных размеров и форм. Хромосомы у хвойных пород значительно длинее и толще, чем у лиственных. Наиболее мелкие они у ив и тополей. Вообще же длина хромосом может колебаться от 0,2 до 25 микрометров.

В соматических клетках число хромосом в два раза больше, чем в зрелых половых клетках. Это объясняется тем, что зигота - исходная соматическая клетка, из которой в результате многократного деления формируется весь организм, образуется в результате слияния мужской и женской половых клеток и объединения их наборов хромосом. Набор хромосом в соматических клетках называется диплоидным и обозначается «2n», в половых клетках – гаплоидным и имеет обозначение «n».

В клетке хромосомы также морфологически разнородны. Но поскольку ее диплоидный набор является суммой двух гаплоидных наборов (одни от отца, другой от матери), в нем всегда содержатся парные, совершенно одинаковые по своей морфологии хромосом, которые называются гомологичными.

Каждая хромосома имеет сложную структуру. В основе их лежат нуклеиновые кислоты и белки.

Белки – это сложные биологические полимеры. Полимерами называются химические соединения, большие молекулы которые состоят из более мелких малекул-мономеров. В белковых молекулах такими мономерами являются аминокислоты. Следовательно, белки состоят из аминокислот. Всего аминокислот, входящих в состав белков, 20, они образуют так называемую полипептидную цепочку белка. Вид белка, его свойства зависит, прежде всего, от того, какие аминокислоты входят в его состав и в каком количестве. Но при совершенно одинаковом аминокислотном составе мы будем иметь различные белки, если последовательность чередования аминокислот в их полипептидных цепочках разная. Оказывается, что вид и свойства белков определяются не только составом аминокислот и их количеством, но и последовательностью соединения аминокислот в белковых молекулах. Достаточно хотя бы в одном месте изменить эту последовательность, как возникает новый белок с иными свойствами. Благодаря этому всего лишь двадцать различных аминокислот могут образовывать громадное число (~10²⁴) различных комбинаций. Если еще учесть, то вид и свойства белков зависят также от того, как свернута полипептидная цепочка, то становится понятным то колоссальное разнообразие белков, которое имеет место в живой природе.

Исключительно велика роль белков в органическом мире. Прежде всего белки служат основным строительным веществом клеток, а, следовательно, тканей, органов и организма в целом. Все основные жизненные отправления живых существ связаны с бесконечным числом биохимических процессов, которые идут с помощью биологических катализаторов - ферментов, а все ферменты являются белками. Белки принимают самое непосредственное участие в размножении организмов. О роли белков можно было бы говорить и дальше. Но уже из сказанного следует, что белки в бесконечном своем разнообразии являются основой жизни. «Жизнь есть способ существования белковых тел» - Ф. Энгельс.

Если значение белков столь велико, то следовательно, дочерний организм имеет те же признаки и свойства потому, что с момента зарождения и в процессе развития у него синтезируются те же белки и в той же последовательности, что и у родителей (при половом размножении) или исходной особи (при бесполом размножении).

Отсюда можно сделать вывод: сущность наследственности заключается в том, что синтез белков в возникающем и развивающимся организме идет по той же программе, что и в родительских организмах или исходной особи.