Биология эукариотической клетки. Клеточный конвейер. 28 Литическая система клетки

Рибосомы (Р) - это субмикроскопические структуры, состоят из двух субъединиц - малой и большой. Р располагаются на мембранах гранулярной ЭПС и свободно в цитоплазме. По химическому составу Р состоят из белка и р-РНК в равных соотношениях (1:1). Новые субъединицы рибосом образуются в ядрышке ядра. Функции Р: синтез белка.

Клеточный центр, или центросома (Ц). Располагается возле ядра и состоит из двух центриолей и центросферы. Каждая центриоль имеет форму цилиндра, стенки которых состоят из 9 триплетов микротрубочек. Функции Ц: активное участие в делении клеток.

Микротрубочки (М) - субмикроскопические полые трубочки, которые состоят из белков тубулинов. Они располагаются в гиалоплазме. Функции М: 1)опорная (цитоскелет); 2) строительная; 3) двигательная.

Реснички и жгутики — это органоиды специализированных клеток (дыхательный эпителий, сперматозоды и др.). Они состоят из упорядоченно расположенных микротрубочек: реснички 9x2+2 (в центре). Внутренне строение жгутиков и ресничек сходно. Функция жгутиков и ресничек: движение.

Ядро выполняет 2 основные функции:

  • 1) удвоение и передачи наследственной информации;
  • 2) регуляции метаболических процессов.

В составе ядра различают: хроматин (ДНК или хромосомы), поверхностный аппарат, матрикс, кариоплазму, ядрышко.

Хроматин интерфазных ядер (деконденсированные хромосомы) представляет, собой комплекс ДНК и белка (40% - ДНК, 60% - белки, 1% -низкомолекулярной РНК). Белки подразделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки. Гистоны - щелочные белки - распределяются по длине молекулы ДНК неравномерно в виде блоков. В один блок входит 8 молекул гистонов, образуя нуклеосому. При их образовании происходит уплотнение (сверхспирализация) ДНК, в результате чего хромосомная фибрилла, укорачивается в 5-7 раз. Таким образом современная модель дезоксинуклеопротеидов выглядит как нить, на которой расположены «бусинки» (нуклеосомы).

Поверхностный аппарат ядра включает 3 части; ядерную оболочку, поровые комплексы, плотную пластинку. Ядерная оболочка имеет наружную и внутреннюю мембраны, разделенные перинуклеарным пространством. Наружная мембрана переходит в мембраны гранулярной эндоплазматической сети. Поровые комплексы расположены в местах слияния наружной и внутренней мембран ядерной оболочки и представляют собой два-три кольца из 8 белковых гранул. С ними тонкими нитями связана гранула, находящаяся в центре поры. Плотная пластинка выстилает внутреннюю ядерную мембрану и обеспечивает ее связь с ядерным матриксом.

Значение поверхностного аппарата ядра состоит в обеспечении взаимодействия между ядром и цитоплазмой.

Матрикс ядра - комплекс фибриллярных белков, которые обеспечивают структурную организацию ядра и участвуют в процессах репликации и транскрипции. Кариоплазма представляет внутреннюю среду ядра, создающую микроокружение для его структур.

Ядрышко - производное хромосомы, один из ее локусов с наиболее высокой концентрацией и активностью синтеза РНК, предшественников рибосом.

Строение эукариотических клеток находится в тесной зависимости с уровнем их дифференцировки. Дифференцировка клеток - это процесс появления стойких различий в их строении в связи с выполнением определенной специфический функции. В основе дифференцировки клеток лежат процессы синтеза специфических белков (например, белков миозина и актина в мышечных клетках).

Морфологические проявления дифференцировки : изменение формы и размера клеток, усложнение строения поверхностного аппарата, установление постоянных объемных взаимоотношений между ядром и цитоплазмой, увеличение числа общих и специальных органоидов, синтез специфических включений. Процессы дифференцировки клеток сопровождаются, как правило, уменьшением их способности к клеточному делению.

По отношению к уровню дифференцировки клетки подразделяются на стволовые, малодифференцированные и дифференцированные.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЗАНЯТИЯ.

I. Изучить особенности строения животной клетки (демонстрация).

Срез печени амфибии, окраска гематоксилин-эозином. При большом увеличении микроскопа изучить и зарисовать клетки печени. На рисунке отметить границы клеток, цитоплазму, ядро.

Митохондрии в клетках эпителия кишечника, окраска фуксином и метиловым зеленым. При иммерсионном увеличении микроскопа изучить и зарисовать цилиндрической формы клетки с четкими границами и крупными овальными ядрами, над которыми видны митохондрии в виде мелких ярко-красных зерен. На рисунке отметить цитоплазму, ядро, митохондрии.

Пластинчатый комплекс в нервных клетках спинального ганглия кошки, окраска осмиевой кислотой. При иммерсионном увеличении микроскопа изучить и зарисовать пластинчатый комплекс, расположенный вокруг ядра в виде черной петлистой сети. На рисунке отметить ядро, пластинчатый комплекс.

Клеточный центр в зиготе лошадиной аскариды. При иммерсионном увеличении микроскопа изучить и зарисовать митотический аппарат. На рисунке отметить центриоли, лучистую сферу, нити веретена и хромосомы.

II. Изучить особенности строения растительной клетки.

Пластиды в клетках листа элодеи. От листа элодеи, помещенного в стакан с водой, отрежьте кусочек и поместите на предметное стекло, затем нанесите каплю воды и накройте покровным стеклышком. Рассмотрите при малом и при большом увеличении, обратите внимание на множество округло-овальных телец зеленого цвета в цитоплазме клеток. Это пластиды. Ядра в неокрашенных клетках не видны. Зарисуйте в альбом несколько клеток, на рисунке отметьте клеточную стенку, хлоропласты.

Хромопласты в плодах шиповника (рябины). На предметное стекло нанесите каплю воды, поместите в нее кусочек мякоти шиповника (рябины), накройте покровным стеклом. Рассмотрите при малом и большом увеличении микроскопа, обратите внимание на форму клеток, в цитоплазме которых видны зернистые или нитевидные оранжевые структуры. Зарисуйте несколько клеток на рисунке отметьте хромопласты.

III. Рассмотреть цитоплазматические включения (демонстрация)

Жировые включения в клетках печени аксолотля, окраска осмиевой кислотой с сафранином. При иммерсионном увеличении микроскопа изучить и зарисовать клетку печени (гепатоцит) с жировыми включениями, имеющих вид капель черного цвета. На рисунке отметить жировые включения;

Включения гликогена в клетках печени аксолотля, окраска кармином. При иммерсионном увеличении микроскопа изучить и зарисовать гепатоцит с включениями гликогена, которые имеют вид красных глыбок. На рисунке отметить включения гликогена;

Секреторные включения (гранулы зимогена) в клетках экзокринного отдела поджелудочной железы, окраска железным гематоксилином (или хроматропом). При иммерсионном увеличении микроскопа изучить и зарисовать клетку с черными (или ярко-красными) гранулами зимогена, расположенными в надъядерной части клетки. На рисунке отметить гранулы зимогена.

Пигментные включения в эпителиальных клетках кожи головастика. При большом увеличении микроскопа изучить, зарисовать отростчатой формы пигментную клетку (хроматофор) с многочисленными коричневыми гранулами пигмента меланина в цитоплазме. На рисунке отметить форму клетки и пигмент в цитоплазме.

IV. Изучить электронные микрофотографии (электроннограммы) эукариотической клетки.

На электроннограммах животной и растительной клетки определить органеллы, изучить их строение.

V. УИРС.

Временный микропрепарат плёнки лука. Отделите от внутренней стороны луковицы чешуйку, отрежьте от неё кусочек 1-2 мм, поместите его на предметное стекло, капните каплю метиленового синего и накройте покровным стеклом. Рассмотрите при малом и при большом увеличении микроскопа, обратите внимание на форму клеток (они вытянутые, почти прямоугольные), синие ядра с 1 -2-мя ядрышками, зернистую цитоплазму и неокрашенные пустоты (вакуоли). На рисунке отметить клеточную стенку, цитоплазму, ядро, вакуоли.

Плазмолиз в клетках листа элодеи. Возьмите уже приготовленный временный микропрепарат листа элодеи, а с противоположной стороны положите полоску фильтровальной бумаги (для впитывания части воды). Пронаблюдайте за отхождением цитоплазмы от клеточных стенок, которая постепенно приобретет форму шара. Это явление называется плазмолизом. Если под покровное стекло добавить вновь воду, то цитоплазма постепенно займёт прежний объём, что называется деплазмолизом. Зарисуйте несколько клеток, на рисунке отметить плазмолиз.

VI. Программированный контроль.

VII. Заключение.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАНЯТИЮ:

  • 1. Клетка - структурная и функциональная единица живого. Понятие о про- и эукариотической клетке.
  • 2. Строение и функции поверхностного аппарата клетки.
  • 3. Строение цитоплазмы клетки: гиалоплазма, органеллы, включения
  • 4. Микроскопическое и субмикроскопическое строение и функции митохондрий, пластинчатого комплекса и клеточного центра. Субмикроскопическое строение и функции эндоплазматической сети, рибосом, лизосом, микротрубочек и микрофиламентов, пероксисом.
  • 5. Микроскопическое и субмикроскопическое строение органелл растительной клетки (пластид, вакуолей).
  • 6. Клеточные включения.
  • 7. Интерфазное ядро и его генетическая роль. Структурные компоненты интерфазного ядра и их функции.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3

ТЕМА: Биология эукариотической клетки. Клеточный конвейер. Литическая система клетки.

Цель. Изучить формы движения организмов (амебоидное, жгутиковое, ресничное и мышечное), клеточный конвейер и литическую систему клетки.

Данное занятие является продолжением тех работ, которые выполнены на предыдущих занятиях по структуре и функции клетки. Проработав материал занятия, вы должны ЗНАТЬ формы движения животной клетки. Уметь поставить эксперимент и провести наблюдения за процессом фаго- и пиноцитоза в условиях in vivo и анализировать электронограммы.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ.

1. Изучение морфологии и движения живых объектов.

A. Амёба обыкновенная (Amoeba proteus). На предметное стекло в капле воды поместить две-три амёбы, покрыть покровным стеклом и под бинокуляром или при малом увеличении микроскопа рассмотреть организм. Отметить: размеры и форму тела, обратить внимание на псевдоподии, структуру цитоплазмы (экто- и эндоплазмы), ядро, сократительную вакуоль и токи эндоплазмы в эктоплазму, формирующую псевдоподии, которые амёба выпускает для передвижения и захвата пищи, и на соприкосновение тела с субстратом только в некоторых точках. Отметить частоту пульсации сократительной вакуоли и определить промежуток времени между двумя пульсациями. На рисунке отметить: экто- и эндоплазму, псевдоподии, сократительную вакуоль.

B. Тетрахимена (Tetrahymena pyriformis). На предметном стекле сделать ловчую сеть из ваты и поместить на неё каплю жидкости с тетрахименами. Обратить внимание на постоянную форму тела инфузории, обеспечиваемую поверхностным аппаратом и цитоскелетом клетки, расположение ресничек, на мерцательное движение ресничек в каждом ряду и характер движения тетрахимены. Зарисовать тетрахимену и на рисунке отметить реснички, перистом (ротовое отверстие), сократительные вакуоли, микро- и макронуклеусы.

C. Дилептус (Dileptus arser) - инфузория-хищник. Обратить внимание на форму организма и пронаблюдать за его движением. На рисунке отметить хоботок, "тело", перистом.

2. Изучение клеточного конвейера.

Для работы используйте ранее приготовленные Вами препараты (амёба, тетрахимена, дилептус).

А. Для наблюдения за процессом пищеварения у амёбы и тетрахимены к капле воды с этими организмами добавить растёртый кармин. Проследить за формированием пищеварительных вакуолей, за изменением их количества, размерами и движением в эндоплазме, а также выбросом кармина из клетки. На рисунке отметить путь движения кармина в клетке (амёба, тетрахимена) от момента его поступления в клетку до удаления из неё.

B. В среду с дилептусами (инфузориями-хищниками) внести меченых кармином теграхимен и наблюдать охоту этого организма за тетрахименами (инфузория-хищник парализует жертву электрическим током, который генерируется плазматической мембраной на кончике хоботка, затем захватывает её перистомом). Проследить за формированием пищеварительной вакуоли, её передвижением и выбросом непереваренных продуктов. На рисунке отметить путь движения меченых пищевых частиц от момента их захвата до выброса (эндо-и экзопиноцитоз).

C. Пиноцитоз. В среду с амёбами ввести каплю раствора куриного белка и наблюдать за пиноцитозом, который продолжается примерно полчаса. Картину пиноцитоза отразить на рисунке, на котором отметить пиноцитозные каналы, рафлы и пиноцитозные пузырьки.

3. Демонстрация электронограмм и схем - изучить:

a) ультраструктуры, обеспечивающие различные формы движения (амебоидное, ресничное, жгутиковое и мышечное),

b) ультраструктурную организацию первичных, вторичных лизосом и остаточных телец,

c) ультраструктуру пироксисом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАНЯТИЮ

  • 1. Назовите основные компартменты эукариотической клетки.
  • 2. Функции лизосомного аппарата клетки.
  • 3. Отличия первичных и вторичных лизосом.
  • 4. Функции плазматической мембраны.
  • 5. Органоиды специального назначения, обеспечивающие движение, их строение.
  • 6. Дать определение процессам - эндоцитоз и экзоцитоз.
Литическая система клетки

Рис. 6. Литическая система клетки: 1 - фагоцитоз, 2 - пиноцитоз, 3 - фагосома, 4 - первичная лизосома, 5 - вторичная лизосома, 6, 7 - пищеварительная вакуоль, 8 - остаточное тельце, 9 - экзоцитоз.

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКЕ

АКТИВНЫЙ ПАССИВНЫЙ

против градиента концентрации, с затратой энергии АТФ

по градиенту концентрации, без

затрат энергии

в мембранной упаковке

трансмембранный с помощью белка переносчика (Na -К насос)

диффузия

экзоцитоз

из клетки

эндоцитоз в клетку

через поры (вода и ионы)

через билипидный

облегчённая диффузия

(с помощью белка переносчика -крупные полярные молекулы, например, глюкоза и др.)

фагоцитоз (твердые частицы -

пиноцитоз (жидкости)

бактерии,

отмершие клетки)

слой

(жирорастворимые вещества, О,, СО,, Н,, мочевина, бензол, спирты, новакоин, антибиотики)

Рис. 7. Транспорт веществ в клетке.

ТЕМА 4: Химический состав клетки. Неорганические вещества и их значение. Молекулярные основы наследственности. Кодирование и реализация генетической информации

I. ИЗУЧАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

  • 1. Содержание в клетке химических элементов.
  • 2. Содержание в клетке химических соединений.
  • 3. Неорганические соединения клетки.
  • 4. Значение воды в клетке.
  • 5. Значение солей в клетке.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ

Все клетки животных и растений сходны по химическому составу, что является доказательством единства органического мира. Особенно велико содержание в клетке 4-х элементов, которые в сумме, составляют 98% всей клетки: О2 - 65-75%, С - 15-18%, Н - 8-10%, N - 15-30%. Это макроэлементы.

Следующая группа состоит из 8 элементов. Это мезоэлементы. Их количество в сумме составляет 1,8%: S, Р, С1, К, Mg, Na, Са, Fe.

Третья группа состоит из микроэлементов — они содержатся в клетке в очень малых количествах (меньше 0,01%): Zn, Си, I, F.

Эти элементы составляют молекулы веществ, которые делятся на 2 группы: неорганические вещества и органические вещества (соединения).

К неорганическим соединениям относят воду и соли.

Вода составляет 80% массы клетки и выполняет важные функции.

  • 1. Вода определяет физические свойства клетки (ее объем и др.).
  • 2. Вода - это универсальный растворитель.
  • 3. Вода - это активный участник химических реакций в клетке.

Соли: Основные катионы и анионы, которые входят в состав солей клетки - это К+, Na+, Са+2, Mg+2, НРО4, Н2РО4', СГ, НСО3’.

Значение солей:

1. Ионы Na+ и К+ регулируют проницаемость мембраны, участвуют в передаче возбуждения по нервам и мышцам.

  • 2. Са3РО4 участвует в формировании костной ткани.
  • 3. Fe входит в состав гемоглобина.
  • 4. Mg входит в состав хлорофилла.

Органические вещества клетки. Особенности строения и функции углеводов и липидов

Химические соединения, основой строения которых являются атомы С, называют органическими. Органические соединения разнообразны, но основные их них - это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, АТФ.

Углеводы - это органические соединения, в состав которых входят С, Н и О. В углеводах водород и кислород находятся в тех же соотношениях, что и воде.

Общая формула углеводов Cn(H2O)m.

Таблица углеводов

Классы углеводов

Строение

Название

Функции

1. Моносахариды

Простые сахара, которые состоят из 3-х 5-ти или 6-ти атомов С. (СбН|20б)

Триоза (Зс) Пентоза (5с) (рибоза) Гсксоза(бс) (глюкоза, фруктоза)

Входит в состав РНК, ДНК

(строительная) Энергетическая функция (1, 0 - 4,1 ккал или 17,6 кДж)

2. Дисахариды

Состоят из двух молекул гексоз

С(>Н 12О66Н12Об=

С]2Н22О] |+Н2О

Глюкоза +

фруктоза = сахар

Энергетическая функция

3. Полисахариды

Состоят из многих

молекул и гексоз:

С6Н12О66Н10О5+(Н2О)

Крахмал гликоген целлюлоза

Трофическая энергетическая строительная

Липиды (жиры) - это сложные органические соединения, которые нерастворимы в воде. Липиды классифицируют на 2 группы:

  • 1. Простые липиды. Они состоят из глицерина и жирных кислот.
  • 2. Сложные липиды. Они состоят из жиров и других соединений. Например, фосфолипиды, гликолипиды и др.

Функции липидов:

  • 1. Строительная. Липиды входят в состав клеточных мембран (фосфолипиды).
  • 2. Энергетическая. При расщеплении 1 г. жира выделяется 9,3 ккал или 37,6 кДж.
  • 3. Трофическая (жировые включения).
  • 4. Защитная (подкожная жировая клетчатка).

Особенности строения и функции белков клетки

Биологические полимеры - это органические соединения, которые входят в состав клеток живых организмов.

Полимер - это многозвеньевая цепь, в которой звеном является простое вещество - мономер (А): А-А-А-А.

Биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.

Белки - это полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Молекула аминокислот состоит из двух частей: одна часть у всех молекул одинакова и состоит из аминогруппы (-NH2) и карбоксильной группы (-СООН). Другая часть молекулы у аминокислот разная и называется радикалом (R). Формула самой простой аминокислоты:

H(R)

I н - С - соон

I

nh2

В состав живых клеток входит 20 разных аминокислот, между которыми формируются прочные ковалентные пептидные связи. Например, так образуется дипептид:

Ri R2 R| R2

I I ф I |

H -C - COOH + NH2 - C- H -> H-C-CO-NH - C- H + H2O

I I E I I

NH2 COOH NH2 COOH

Полимер из многих аминокислот называется полипептидом.

В белках различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Первичная структура определяется последовательностью расположения аминокислот. Первичная структура определяет физико-химические и биологические свойства белка.

Вторичная структура: полипептидная связь закручена в спираль, формируется за счет водородных связей (фибриллярные белки).

Третичная структура: спирали вторичной структуры формируют глобулы (нуклесомы).

Четвертичная структура формируется при объединении нескольких глобул (гемоглобин состоит из 4-х глобул).

Функции белков:

  • 1. Строительная функция: белки являются компонентом всех клеточных структур.
  • 2. Каталитическая функция: белки-ферменты являются биокатализаторами химических реакций.
  • 3. Регуляторная функция: белки входят в состав гормонов, которые регулируют действия ферментов.
  • 4. Защитная функция: антитела - это белковые вещества, которые организм вырабатывает при попадании бактерий или вирусов. Этот процесс лежит в основе иммунитета.
  • 5. Двигательная функция: все виды движения (сокращение мышц, движение жгутиков) выполняют сократительные белки (миозин, тубулин).
  • 6. Транспортная функция: гемоглобин эритроцитов транспортирует Ог и СО2 в процессе дыхания.
  • 7. Энергетическая функция: при расщеплении 1 г. белка выделяется 4,1 ккал или 17,6 кДж.

Нуклеиновые кислоты, их роль в клетке

В течение жизни организм, каждая его клетка усваивает и продуцирует различные вещества, строит свои структуры, выполняет определенные функции, воспроизводит себе подобных. Клетки разных органов различаются по своей морфологии и функциям. При делении клетки печени образуются клетки печени, при делении клеток кожи образуются клетки кожи и т.п.

Следовательно, любая клетка обладает какой-то информацией, заключенной а материальном субстрате, который передается дочерним клеткам и обеспечивает преемственность в строении и функции клеток и организмов в целом.

Материальным субстратом, с которым связаны процессы хранения и реализации наследственных свойств организмов, являются нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты - биополимеры, состоящие из мономеров-нуклеотидов. Любой нуклеотид состоит из трех частей: углевода-пентозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания.

Существует два вида нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. Принципиально их строение сходно, но есть и отличия: молекула ДНК у клеточных организмов состоит из двух полинуклеотидных цепей (РНК - 1 цепь), в состав ДНК входит углевод дезоксирибоза (РНК - рибоза), в состав ДНК входят азотистые основания аденин, тимин, гуанин, цитозин (в РНК вместо тимина входит урацил). Нуклеотиды одной цепи ДНК (РНК) различаются между собой только азотистыми основаниями. Две цепи нуклеотидов ДНК соединяются водородными связями по правилу комплементарности: А=Т; Г=Ц.

ДНК содержится в ядре клетки, РНК - в ядре (в основном в ядрышке) и в цитоплазме (гиалоплазма, рибосомы). Кроме того, некоторые органоиды имеют собственную ДНК (митохондрии, пластиды).

ДНК была открыта в 1861 г. (Мишер), но только в 1953г. было расшифровано строение этой молекулы (Уотсон, Уилкинс и Крик).

Основная биологическая роль ДНК состоит в хранении, самовоспроизведении и передаче наследственной (генетической) информации. Строение ДНК универсально (принципиально одинаково у всех живых организмов), но с другой стороны, разные молекулы ДНК различаются между собой. Специфичность ДНК зависит от:

  • 1) нуклеотидного состава,
  • 2) последовательности нуклеотидов,
  • 3) количества нуклеотидов, т. е. от того, сколько нуклеотидов входит в состав молекулы, какие нуклеотиды и как они расположены, зависят количественный объем информации и ее качество.

В строении ДНК содержится информация о структуре белков организма и рибонуклеиновых кислот (тРНК, рРНК).

Современные представления о репликации ДНК

Самовоспроизведение (ауторепродукция) ДНК называется репликацией. Репликация ДНК происходит перед делением клетки для того, чтобы каждая дочерняя клетка получила генетического материала столько же, сколько было в материнской клетке, т.к. в процессе репликации количество ДНК удваивается. Так как синтез дочерних молекул ДНК идет по правилу комплементарности, то образовавшиеся молекулы идентичны друг другу и материнской ДНК. По современным представлениям процесс разъединения двух цепей ДНК у эукариот начинается одновременно в нескольких участках (у прокариот в одном месте). Такой участок называется репликоном. На каждой цепи ДНК идет синтез дочерней цепи по правилу комплементарности, таким образом, в каждой новой молекуле ДНК одна цепь старая (материнская), а вторая новая (дочерняя). Такой способ репликации называется полуконсервативным. В процессе репликации принимают участие ферменты: ДНК-полимераза, гиразы, лигазы и молекулы- РНК(РНК-затравка), которые инициируют репликацию. Особенности строения, виды и функции рибонуклеиновой кислоты (РНК)

Рибонуклеиновая кислота (РНК) - это биополимер, мономерами которого являются РНК-нуклеотиды. Они отличаются от ДНК-нуклеотидов углеводом (рибоза вместо дезоксирибозы) и одним из четырех азотистых оснований (урацил вместо тимина).

В состав РНК входят адениновый (А), урациловый (У), гуаниновый (Г) цитозиновый (Ц) нуклеотиды. РНК-нуклеотиды соединяются между собой за счет ковалентной связи, которая образуется между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки. Существуют три вида РНК: транспортная (т-РНК), информационная (и-РНК) и рибосомальная (р-РНК). Они отличаются размерами молекул, структурой и функцией.

Все виды РНК синтезируются на молекуле ДНК как копии ее участков (матричный синтез).

Транспортная РНК. Молекула ее состоит из 70-100 нуклеотидов. Полинуклеотидная цепь т-РНК имеет форму листа клевера. На одном участке т-РНК находится триплет нуклеотидов, или антикодон, на противоположном участке прикрепляется соответствующая аминокислота. Каждая аминокислота транспортируется определенной т-РНК. Всего имеется 20 различных т-РНК.

Функция т-РНК: транспорт аминокислот (АК) к месту синтеза белка.

Информационная РНК. Молекула ее состоит из нескольких сотен или тысяч нуклеотидов.

Функция и-РНК: она переносит информацию о последовательности Ак в белке с молекулы ДНК на рибосомы.

Рибосомальная РНК. Молекула р-РНК состоит из нескольких тысяч нуклеотидов и вместе с белком формирует рибосому.

Функция р-РНК: участие в синтезе белка.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - это мононуклеотид, который состоит из азотистого основания (аденина), углевода пентозы (рибоза) и трех остатков фосфорной кислоты. Фосфатные группы соединяются друг с другом с помощью высокоэнергетических связей. При отщеплении одного остатка фосфорной кислоты выделяется около 40 кДж энергии. АТФ —АДФ + Е (40 кДж). Синтезируется АТФ в митохондриях.

Функция АТФ: это универсальный биологический аккумулятор клетки (энергетическая функция).

Генетический код, его характеристика

Генетический код - это система записи генетической информации, позволяющая прямой и обратный перевод сообщений для использования их в процессе жизнедеятельности клеток. Другими словами - это система расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, определяющая последовательность аминокислот в молекуле белка (правило коллинеарности).

Второе основание

Первое основание

и

C

A

G

и

UUU

Phe

UCU

Ser

UAU

Tyr

UGU

Cys

U

иис

UCC

UAC

UGC

C

UUA

Leu

UCA

UAA

STOP

UGA

STOP

A

UUG

UCG

UAG

UGG

Trp

G

с

сии

Leu

ecu

Pro

CAU

His

CGU

Arg

U

CUC

CCC

CAC

CGG

C

CUA

CCA

CAA

Gin

CGA

A

CUG

CCG

CAG

CGG

G

А

AUU

He

ACU

Thr

AAU

Asn

AGU

Ser

U

AUC

ACC

AAC

AGC

C

AUA

АСА

AAA

Lys

AGA

Arg

A

AUG

Met

ACG

AAG

AGG

G

G

GUU

Vai

GCU

Ala

GAU

Asp

GGU

Gly

U

GUC

GCC

GAC

GGC

C

GUA

GCA

GAA

Glu

GGA

A

GUG

GCG

GAG

GGG

G

Третье основание

Генетический код характеризуется:

  • а) Универсальностью.
  • б) Триплетностью.
  • в) Избыточностью (вырожденностью).
  • г) Неперекрываемостью (у эукариот).
  • д) Наличием смысловых, терминирующих и инициирующих кодонов.

AUG и GUG - это триплеты, которые кодируют первую аминокислоту в пептидной цепи (N-формил-метионин) и начинают синтез белковой молекулы.

Реализация генетической информации в клетке

Реализация генетической информации в клетке происходит в течение всей жизни клетки. Уровень этого процесса резко снижается (но не до нуля) во время деления, вновь повышается сразу после деления. Сущностью этого процесса является биосинтез белков (структурных или белков-ферментов), характерных для данного вида клеток. Биосинтез белка можно разделить на два этапа: транскрипцию (протекает в ядре на ДНК) и трансляцию (протекает в цитоплазме в рибосомах). В результате транскрипции синтезируется молекула и-РНК (у прокариот и эукариот этот процесс происходит по-разному), а в результате трансляции синтезируется молекула белка. В процессе биосинтеза белка принимают участие ДНК, все виды РНК (иРНК, т-РНК, р-РНК), аминокислоты, фермент РНК-полимераза (у эукариот кроме этого - рестриктаза, лигазы) и др.

Центральная догма молекулярной биологии. Обратная транскрипция

Представления о механизмах передачи и реализации генетической информации, направление и последовательность процессов получили название центральной догмы молекулярной биологии.

Направление потока информации идет по принципу ДНК<-»ДНК—>РНК—>белок. Однако, оказалось, что иногда информация может передаваться с РНК на ДНК. Такой процесс вначале был изучен у вирусов, генетическая информация которых заключалась не в ДНК, а в РНК (ретровирусы). Чтобы после внедрения таких вирусов в клетку хозяина их генетическая информация могла быть использована для синтеза вирусных белков, необходимо на молекуле вирусной РНК синтезировать ДНК. Такой процесс идет под контролем, ферментов ревертаз и называется обратной транскрипцией. Таким образом, центральная догма остается справедливой, но поток информации в

окончательном

виде выглядит так:

ДНК«->ДНК^>РНК->бслок.

Открытие обратной транскрипции сыграло большую роль в генной инженерии. С помощью ревертаз в микробиологической промышленности получают важные лекарственные препараты белковой природы (интерферон, у-глобулин и др.), вводя в микробную клетку иРНК человека с информацией о строении этих белков.

Deoxyribonucleotide

Ribonucleotide

Строение нуклеиновых кислот

Рис. 8. Строение нуклеиновых кислот.

Схема репликации ДНК (половина репликона)

Рис. 9. Схема репликации ДНК (половина репликона).

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4

ТЕМА: Молекулярные основы наследственности. Нуклеиновые кислоты. Их роль в реализации генетической информации

Цель. Ознакомиться с организацией наследственного материала, самовоспроизведением и реализацией наследственной информации.

Знания и навыки, полученные при изучении данной темы, необходимы для понимания закономерностей репродукции клеток, размножения организмов и явлений наследственности и изменчивости.

В результате изучения материала ВЫ должны ЗНАТЬ СТРОЕНИЕ нуклеиновых кислот, их локализацию и роль белков в клетке, принцип кодирования и реализации генетической информации в процессе биосинтеза белка, явление обратной транскрипции, УМЕТЬ провести (схематично) репликацию ДНК, синтез полипептидной молекулы, обратную транскрипцию, объяснить различие в окраске ядра и цитоплазмы при гистохимическом выявлении ДНК и РНК в клетке.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЗАНЯТИЯ.

1. Изучить микропрепараты:

A. Диссоциированные клетки сердца крысы. Микропрепарат. Реакция Фёльгена на ДНК. При большом увеличении микроскопа рассмотреть и зарисовать кардиомиоциты. На рисунке отметить ядра клеток с краснофиолетовыми глыбками ДНК.

B. Срез шелкоотделительной железы тутового шелкопряда. Микропрепарат. Окраска на нуклеиновые кислоты метиловым зелёным с пиронином. При большом увеличении микроскопа рассмотреть и зарисовать клетки шелкоотделительной железы, обратив внимание на различную окраску клеточных структур. ДНК окрашена в зелёный цвет, РНК - в розовый. На рисунке отметить ядро, ядрышко, цитоплазму.

C. Диссоциированные клетки сердца крысы. Микропрепарат. Окраска на нуклеиновые кислоты галлоцианином с хромовыми квасцами по Эйнарсону. Катионы красителя, соединяясь с отрицательно заряженными группами нуклеиновых кислот, дают светло-синие окрашенные комплексы. Галлоцианин-хромовые квасцы являются единственным красителем, который позволяет делать выводы о количестве обеих нуклеиновых кислот в клетках, а при использовании рибонуклеазы и о раздельном их количестве. На рисунке отметить ядро, ядрышко, цитоплазму.

D. Срез сердца крысы. Автограф. Метка ядер кардиомиоцитов при многократном введении 3Н-тимидина крысе после перевязки левой коронарной артерии. 3Н-тимидин - специфический меченый предшественник, включается в ДНК только в момент её синтеза, при большом увеличении микроскопа рассмотреть и зарисовать меченые по 3Н-кардиомиоциты. На рисунке отметить меченые ядра.

УИРС

УЧАСТОК одной из цепей ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: АГТАЦЦГАТАЦГЦГАТТТ. Построить (схематично):

a) комплементарную цепь ДНК

b) молекулу и-РНК, синтезированную на вновь построенной цепи ДНК

c) полипептидную цепочку по кодонам синтезированной и-РНК, используя таблицу кода.

Программированный контроль.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВОПРОСЫ для подготовки к занятию

  • 1 .Молекулярное строение ДНК, её биологическое и генетическое значение.
  • 2. Современное представление о механизме репликации ДНК.
  • 3. Молекулярное строение РНК, её виды, локализация и роль в клетке.
  • 4. Молекулярное строение белков, их локализация в клетке. Функции белков.
  • 5. Механизм трансляции и элонгации в процессе биосинтеза белка.
  • 6. Механизм транскрипции и её особенности у про- и эукариот.
  • 7. Обратная транскрипция, её значение.

ТЕМА 5: Цитогенетические основы бесполого и полового размножения. Репродукция клеток.

Размножение обеспечивает продолжение жизни, преемственность поколений и сохранение вида. Размножение может быть бесполым и половым.

При бесполом размножении происходит деление соматических клеток одной родительской особи. Наследственность передается через соматические клетки. При половом размножении новый организм развивается из зиготы, которая образуется при слиянии мужской и женской гамет. Таким образом, наследственность передается через гаметы и комбинируется из генов отца и матери.

У некоторых организмов существует особый вид полового размножения -партеногенез, при котором имеются специализированные клетки (яйцеклетки), способные развиваться без оплодотворения (плоские черви и насекомые) и гиногенез (сперматозоиды нужны лишь для активации яйцеклетки (некоторые рыбы). В жизненном цикле некоторых организмов наблюдается смена полового и бесполого вида размножений. Это явление называется метагенезом.

Виды и способы размножения организмов

Бесполое

Половое

Одноклеточные

Деление (митоз)

Шизогония

Почкование спорообразование

Многоклеточные

Вегетативное

Спорообразование

Полиэмбриония

Одноклеточные

Конъюгация

Копуляция

С оплодотворением

Без оплодотворением (партеногенез)

Особый вид бесполового размножения, который встречается и у человека - полиэмбриония. Обычно из зиготы развивается один организм, но иногда, после одного или нескольких митотических делений, образовавшиеся клетки (бластопоры) могут развиваться в самостоятельные организмы. Так развиваются генетически идентичные однояйцевые близнецы.

Деление клетки лежит в основе роста, развития и размножения организмов. Процессы деления клеток находятся под строгим генетическим контролем.

Различают следующие способы деления клеток: митоз, или кариокинез -непрямое деление, амитоз - прямое деление, мейоз - деление развивающихся половых клеток в процессе созревания, эндорепродукция.

Жизненный цикл клетки - это период жизни клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до смерти (гибели).

Митотический цикл клетки - это период жизни клетки от одного деления до следующего деления. Средняя длительность митотического цикла - 20 часов. Он состоит из интерфазы и митоза.

Интерфаза - это период между двумя делениями клетки. В ней различают:

  • 1. Пресинтетический период (Gj) - клетки растут, синтезируют РНК, белки, углеводы, липиды, АТФ. Только в Gi, клетки содержат 2п2с.
  • 2. Синтетический (S). К концу этого периода содержание ДНК в ядрах удваивается (2п4с).
  • 3. Постсинтетический (G2). В G2 ДНК не синтезируются, но происходит накопление энергии (АТФ), происходит синтез РНК и белков (2п4с).

Часть клеток в системе может находиться, в периоде покоя (Go) вне цикла. Эти клетки не участвуют в пролиферации, но сохраняют способность к размножению и при соответствующих условиях могут ее реализовать. Время, проведенное клеткой в периоде Go, не входит в длительность митотического цикла.

Основной способ деления эукариотических клеток - митоз (греч. «митос» - нить). Причины деления клеток: изменение соотношения скорости роста цитоплазмы и ядра в клеточном цикле. В митозе различают четыре фазы:

  • 1. Профаза: Хромосомы сильно спирализуются. К концу профазы ядерная оболочка фрагментируется. Центриоли расходятся к полюсам ядра. Образуется веретено деления (система микротрубочек) (2п4с).
  • 2. Метафаза: Хромосомы располагаются в экватариальной плоскости. В каждой хромосоме видны две образовавшиеся нити-хроматиды, которые скреплены между собой центромерой (2п4с).
  • 3. Анафаза: Хроматиды разъединяются и расходятся к полюсам (4п4с).

4. Телофаза: Вокруг находящихся на каждом полюсе хромосом образуется ядерная оболочка 2(2п2с).

В результате митоза образуются дочерние клетки с таким же набором (числом) хромосом, какой имела материнская клетка.

Амитоз - прямое деление клетки. Оно начинается с перешнуровки ядра. Наследственный материал распределяется по дочерним клеткам неравномерно. Часто деление цитоплазмы не происходит, и поэтому могут образовываться многоядерные клетки.

Мейоз - это особый способ деления клеток. Он встречается у большинства видов растений и животных, которые размножаются половым путем. Мейоз происходит при развитии (созревании) половых клеток (гамет) -яйцеклеток и сперматозоидов. В процессе мейоза число хромосом в гаметах уменьшается в два раза. При оплодотворении, когда две родительские гаметы сливаются в зиготу, число хромосом увеличивается в два раза. Мейоз представляет собой два последовательных деления. Эти деления называются первым и вторым мейотическими делениями.

В интерфазе I осуществляется редупликация ДНК (2п4с). Первое мейотическое деление включает четыре фазы: профазу I, метафазу I, анафазу I, телофазу I. В профазе I (2п4с) происходят сложные изменения. Ее разделяют на 5 последовательных стадий: лептонему, зигонему, пахинему, диплонему, диакинез.

Лептонема: Хромосомы имеют форму тонких нитей. Общее число диплоидное.

Зигонема: Одинаковые по величине и форме (гомологичные) хромосомы располагаются параллельно друг другу и сближаются. Этот процесс сближения называется конъюгацией.

Пахинема: Стадия толстых нитей. Конъюгирующие хромосомы называют бивалентами или тетрадами. Каждый бивалент состоит из четырех хроматид. Число бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом. Конъюгирующие хромосомы переплетаются, что приводит к обмену участками хромосом - генами (происходит кроссинговер).

Диплонема: Гомологичные хромосомы отталкиваются (расходятся) друг от друга.

Диакинез: Это заключительная стадия профазы, где биваленты хромосом еще больше спирализуются и укорачиваются. Биваленты в это время соединены друг с другом только в нескольких точках. Ядерная оболочка фрагментируется.

Метафаза I (2п4с): Биваленты хромосом располагаются в экватариальной плоскости. Анафаза 1: Характеризуется расхождением к полюсам не хроматид, а целых гомологичных хромосом (центромера не делится, и хроматиды не разъединяются). В этой фазе происходит редукция - сокращение числа хромосом в два раза по сравнению с материнской клеткой (п2с). Деление заканчивается телофазой I (п2с). Таким образом, в каждой дочерней клетке уже содержится гаплоидное число хромосом, но содержание ДНК еще равно их диплоидному набору.

В короткой интерфазе II синтеза ДНК не происходит, клетки вступают во второе мейотическое деление (п2с). Оно также имеет четыре фазы: профазу II, метафазу II, анафазу II, телофазу II. Во время метафазы II хромосомы выстраиваются по экватору, центромеры делятся (п2с). В анафазе II сестринские хроматиды направляются к противоположным полюсам (2п2с). Деление заканчивается телофазой II (пс). После этого деления хроматиды, попавшие в ядро дочерних клеток, называются хромосомами.

Значение мейотического деления:

  • 1. Мейоз обеспечивает поддержание постоянства числа хромосом.
  • 2. Мейоз обеспечивает генетическое разнообразие гамет, благодаря явлению кроссинговера и независимому расхождению хромосом к полюсам клетки.
  • 3. Приводит к формированию организмов с различными признаками, что дает материал для эволюции.

Эндорепродукция связана с репродукцией генетического материала в клетке. Различают 2 вида эндорепродукции: эндомитоз и политения. Эндомитоз приводит к увеличению плоидности ядра, кратные «п». В результате эндомитоза образуются полиплоидные клетки, содержащие 4п, 16п и т.д. Как результат нарушения обычного прохождения митоза (сохранения ядерной оболочки в профазе, разрушение митотического аппарат в начальной стадии анафазы).

Политения - образование гигантских политенных (многонитчатых) хромосом. В период S ДНК многократно реплицируется, такие хромосомы содержат сотни молекул ДНК. Биологическое значение политении -увеличение числа идентичных генов, и как следствие, резкое увеличение синтеза определенных белков.

Регуляция временной организации клетки

Изучены некоторые факторы и механизмы, которые изменяют временную организацию клетки и либо способствуют делению, либо тормозят деление:

  • 1) Ядерно-плазматические отношения (сфера влияния ядра, Я/П=1/10 в норме). Если это соотношение уменьшается, то клетка начинает подготовку к делению.
  • 2) Повышение концентрации в клетке предшественников ДНК способствует переходу клетки к делению.
  • 3) При подавлении синтеза белка и РНК процессы подготовки к делению тормозятся.
  • 4) Наличие в клетке белков-кейлонов тормозит переход клетки из одного периода в другой (G1 —>S—> G2—> митоз) на любой стадии.
  • 5) Можно спровоцировать деление в клетках, которые в нормальных условиях не делятся. Например, если лейкоциты периферической крови поместить в среду с фитогемагглютинином (ФГА), то они будут делиться. Это используют для изучения хромосомного набора - кариотипа.

Понятие о кариотипе. Структурная организация хроматина

Генетический аппарат клетки представлен хромосомами. Кариотип - это совокупность хромосом клетки, характеризующаяся их количеством, величиной и строением. Кариотип - признак постоянный и специфичный для вида. Количество (набор) хромосом принято обозначать как "п". Для разных видов организмов "п" -различно. Каждая соматическая клетка содержит двойной (парный) набор хромосом - "2п". Такой набор называется диплоидным. Одинаковые хромосомы называются гомологичными (парными). Половые клетки содержат одинарный набор хромосом "п". Такой набор называется гаплоидным. У человека соматические клетки содержат 46 хромосом (23x2), из них 44 хромосомы (22x2) -аутосомы, одинаковые для мужского и женского пола и 2 хромосомы половые (гетеросомы). У женщин - XX, у мужчин - XY. По химическому строению хромосомы являются дезоксирибонуклеопротеидами (ДНП). Хромосомы являются носителями генетической информации. В различные периоды жизненного цикла клетки они имеют различную морфо-функциональную организацию. Основная биологическая роль интерфазных хромосом - передача генетической информации. Основная биологическая роль хромосом при делении -равномерное распределение их между дочерними клетками. Интерфазный хроматин находится в деспирализованном активном состоянии. На разных его участках идут процессы транскрипции - это эухроматин. Но есть отдельные участки хроматина, которые не транскрибируются и находятся в конденсированном состоянии - это гетерохроматин.

Различают несколько уровней организации хроматина:

  • 1) Расправленные нити. Эта структура состоит из 1 молекулы ДНК и молекул гистона, расположенных параллельно. Неактивный хроматин.
  • 2) Нуклеосомный уровень. Формируются нуклеосомы из 8 молекул гистонов и участка молекулы ДНК (около 200 пар нуклеотидов). Хроматин укорачивается в 7 раз. Активное состояние.
  • 3) Нуклеомериый. Объединяются 8-10 нуклеосом, образуется нуклеомер. Укорочение нити в 20 раз.
  • 4) Хромомерный. Нуклеомериый уровень образует петли, соединенные белками. Укорочение - в 200 раз.
  • 5) Хромонемный уровень образуется, в результате сближения хромомеров по длине.
  • 6) Хроматидный. Хромонема складывается в несколько раз, образуя тело хроматиды. Хроматиду можно назвать нереплицированной хромосомой. После репликации хромосома содержит 2 хроматиды - это реплицированная хромосома.

Процесс конденсации хроматина очень важен для регуляции активности хромосом и для свободного распределения их в цитоплазме клетки. По мере конденсации активность хроматина снижается. В результате усиления компактизации хроматина метафазные хромосомы уменьшаются по длине в несколько тысяч раз и свободно размещаются в цитоплазме, а затем расходятся, к полюсам клетки. Форма метафазных хромосом зависит от расположения центромеры. Различают метацентрические, субметацентрические, акроцентрические, хромосомы со вторичной перетяжкой (спутиичиые).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >