КЛЕТКА – ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ЕДИНИЦА ЖИВОГО. МИТОЗ. МЕЙОЗ. РАЗВИТИЕ ПОЛОВЫХ КЛЕТОК У РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ. Клетка Реализация генетической информации невозможна вне клетки, несмотря на то, что носителем генетической информации являются нуклеиновые кислоты. Клетка является генетической единицей живого, обладающей минимальным набором компонентов для сохранения, изменения и реализации наследственной информации, а также ее передачи потомкам. Хромосомы Хромосома – это структура клеточного ядра, которая содержит гены и несет наследственную информацию о признаках и свойствах организма. Кариотипом называется комплекс характеристик хромосомного набора соматической клетки, в который входят: • число хромосом, специфичное для данного вида; • их размеры; • положение центромеры каждой хромосомы; • рисунок дифференциального окрашивания хромосом (специальный метод окрашивания, который позволяет по рисунку чередующихся поперечных темных и светлых полос идентифицировать конкретную хромосому или ее участок). Хромосомы способны к самоудвоению, они обладают структурной и функциональной индивидуальностью и сохраняют ее в ряду поколений. Основой хромосомы является двухцепочечная молекула ДНК, упакованная с белками. У эукариот с ДНК взаимодействуют гистоновые и негистоновые белки, а у прокариот гистовых белков нет. Хромосомы видны в процессе деления клеток, когда они уплотняются и имеют вид палочковидных телец, разделенных первичной перетяжкой – центромерой – на плечи. На хромосоме также может быть вторичная перетяжка, которая в некоторых случаях отделяет от основной части хромосомы так называемый спутник. В начале деления хромосомы удвоены и состоят из двух дочерних хромосом хроматид, скрепленных в центромере. Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки Клетки многоклеточных организмов можно разделить на соматические и половые. Соматические клетки – это все клетки тела, образующиеся в результате митотического деления. Для соматических клеток характерно постоянное число хромосом. У человека – 46. Диплоидный набор хромосом (набор соматических клеток) – все хромосомы парные – 2n. Половые клетки – специализированные клетки, служащие для полового размножения. В гаметах набор вдвое меньше, чем в соматической клетке. Гаплоидный набор – n. Образование гаплоидного набора связано с мейотическим делением клетки. Полиплоидные клетки. Количество хромосом в некоторых соматических клетках может быть больше двух гаплоидных наборов – триплоидные, тетраплоидные, пентаплоидные. Группы хромосом. Аутосомы и половые хромосомы (гетеросомы. Аутосом в соматических клетках состоит из 22 пар – они одинаковы для мужчин и женщин. Половые хромосомы – 1 пара, определяющая пол особи. Виды половых хромосом – X, Y. Кариотип - это совокупность признаков хромосомного набора организма (число хромосом, их форма и величина). Условная запись кариотипа должна включать общее количество хромосом, половые хромосомы и возможные отклонения в наборе хромосом. 44А+XY (46, XY) 44A+XX (46, XX) Жизненный цикл клетки Промежуток времени от появления клетки в результате деления до ее разделения или гибели называется жизненным циклом клетки. Прокариоты делятся путем прямого бинарного деления – пополам. Клетка растет за счет поглощения веществ окружающей среды, при наличии достаточного количества веществ начинается репликация ДНК. Дальнейший рост клетки приводит к росту мембраны, что приводит к растаскиванию дочерних молекул ДНК, после чего клетка делится пополам простой перетяжкой. У эукариотических клеток жизненный цикл делят на две основные стадии: интерфазу и митоз. Интерфаза – это промежуток времени в жизненном цикле, в которых клетка не делится и нормально функционирует. Интерфаза включает G1-, S- и G2-периоды. G1-период (пресинтетический, постмитотический) – это период роста и развития клетки, в который происходит активный синтез РНК, белков и других веществ, необходимых для полного жизнеобеспечения вновь образовавшейся клетки. S-период (синтетический) – это период, в котором происходит репликация ДНК. Генетическая формула клетки после удвоения ДНК– 2n4c. G2-период (постсинтетический, премитотический) характеризуется интенсивным синтезом РНК, белков и АТФ, необходимых для процесса деления клетки, а также разделением центриолей, митохондрий и пластид. До конца интерфазы хроматин и ядрышко остаются хорошо различимы, целостность ядерной оболочки не нарушается. Митоз – деление соматических клеток Митоз – способ непрямого деления соматических клеток. Итогом митоза будет получение дочерних клеток с таким же набором хромосом, как и в материнской клетке. Выделяют фазы митоза: - Профаза - Метафаза - Анафаза - Телофаза Профаза является фазой подготовки к разделению хромосом. Происходит разборка ядрышка, оно исчезает. Хроматиновые нити укорачиваются и утолщаются, происходит процесс, называемый конденсацией хроматина. В результате образуются хромосомы, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид. Каждая из хроматид содержит всегда одну молекулу ДНК, при этом молекулы ДНК сестринских хроматид — это две точные копии, образовавшиеся в результате репликации ДНК (поэтому они и называются сестринскими). Сестринские хроматиды остаются соединенными только в области центромеры, образуя Х-образную структуру. Два клеточных центра расходятся к противоположным концам клетки, образуя полюса веретена деления. От каждого из них начинают расти микротрубочки. Встречаясь с хромосомами, микротрубочки прикрепляются к их центромерам, причем к каждой хромосоме прикрепляется две микротрубочки: одна от одного полюса, а вторая — от другого. Микротрубочки, которые не прикрепились к хромосомам, соединяются между собой в середине клетки. Образуется структура, называемая веретеном деления, а микротрубочки называются нитями веретена. Последним событием профазы является распад ядерной оболочки на фрагменты (пузырьки). Метафаза. За счет изменения длины нитей веретена хромосомы перемещаются в среднюю часть клетки, образуя экватор деления. В это время они все находятся в одной плоскости, что позволяет провести исследование их набора, формы и размеров. Приводимые обычно фотографии хромосомных наборов делаются именно на этой стадии, образуя так называемую метафазную пластинку. Хромосомы находятся в экваториальной плоскости довольно длительное время. Как показано в последние годы, в это время происходит смена белков в центромерах хромосом, что позволяет в дальнейшем разделить их. Анафаза. Центромеры сестринских хроматид разделяются, нити веретена укорачиваются, в результате дочерние хроматиды расходятся к противоположным полюсам. Такое движение продолжается до тех пор, пока хроматиды, ставшие самостоятельными хромосомами, не достигнут полюсов. В результате у каждого полюса деления образуется полный набор хромосом, характерный для данного вида. Телофаза. В этой фазе восстанавливается исходная структура ядер. Вокруг каждого набора хромосом у полюсов деления формируется новая ядерная оболочка. После этого начинается удлинение и уменьшение толщины хромосом, называемое деконденсацией хроматина. В результате хромосомы превращаются в хроматиновые нити. Формируются новые ядрышки. На этом завершается митоз и начинается деление клетки — цитокинез. Он происходит по-разному у животных и растений. У животных в средней части образуется бороздка, опоясывающая клетку, — экваториальная борозда. В этой области перетяжки формируется сократимое кольцо из белков актина и миозина (подобно мышечным волокнам). Борозда постепенно углубляется, образуя перетяжку, которая в конце концов делит клетку на две равные части. У растений жесткая клеточная стенка не позволяет образовать перетяжку. После расхождения хромосом и образования ядер к нитям веретена прикрепляются мембранные пузырьки, находящиеся в цитоплазме. Они перемещаются по нитям веретена на экватор клетки. Там происходит вскрытие пузырьков. Их содержимое застывает, образуя срединную пластинку (фрагмопласт), а мембраны пузырьков формируют с двух сторон от нее две новые клеточные мембраны. Эти мембраны затем синтезируют целлюлозные волокна, формирующие две новые клеточные стенки и склеенные срединной пластинкой. Мейоз – деление с образованием половых клеток Мейоз – это способ непрямого деления предшественников половых клеток (2n), в результате которого образуются гаплоидные клетки (n). Мейоз состоит из двух последовательных делений клетки, каждому из которых предшествует интерфаза. Первое деление (мейоз I) называется редукционным (количество хромосом уменьшается вдвое), второе (мейоз II) – эквационным (количество хромосом сохраняется) Профаза I (2n4c) — занимает 90% времени. Происходит скручивание молекул ДНК и образование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух гомологичных хроматид — 2n4c. Происходит конъюгация хромосом: гомологичные (парные) хромосомы сближаются и скручиваются, образуя структуры из двух соединённых хромосом — такие структуры называют тетрады, или биваленты. Затем гомологичные хромосомы начинают расходиться. При этом происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. В результате этого процесса создаются новые комбинации генов в потомстве. Растворяется ядерная оболочка. Разрушаются ядрышки. Формируется веретено деления. Метафаза I (2n4c) — биваленты выстраиваются на экваторе веретена деления, при этом ориентация центромер к полюсам абсолютно случайная. Анафаза I (хромосомный набор к концу анафазы: у полюсов — 1n2c, в клетке — 2n4c) — гомологичные хромосомы отходят к разным полюсам, при этом сестринские хроматиды всё ещё соединены центромерой. За счёт случайной ориентации центромер распределение хромосом к полюсам также случайно, так как нити веретена прикрепляются произвольно. Телофаза I (1n2c) — происходит деспирализация хромосом. Если интерфаза между делениями длительна, может образоваться новая ядерная оболочка. Профаза II (1n2c) — восстанавливается новое веретено деления, ядерная мембрана растворяется, если образовывалась в телофазе I. Метафаза II (1n2c) — хромосомы выстраиваются в экваториальной части веретена, а нити веретена прикрепляются к центромерам. Анафаза II (хромосомный набор у каждого полюса — 1n1c, в клетке — 2n2c) — центромеры расщепляются, двухроматидные хромосомы разделяются, и теперь к каждому полюсу движется однохроматидная хромосома. Телофаза II (1n1c) — происходит деспирализация хромосом, формирование ядерных оболочек и разделение цитоплазмы; в результате двух делений из диплоидной материнской клетки получается четыре гаплоидных дочерних клетки. Значение митоза и мейоза Значение митоза: 1. Развитие и рост живого организма 2. Формирование клеток с идентичным генетическим материалом 3. Обновление клеток, регенерация и восстановление 4. Бесполое размножение (вегетативное размножение растений) Значение мейоза: 1. образование гаплоидных клеток, отличающихся генетически друг от друга: половых клеток (гамет) у животных и спор у растений. 2. Возникновение новых генетических комбинаций 3. Сохранение числа хромосом, предотвращение его увеличения из-за редукции в первом делении Отличия митоза и мейоза • В митозе одно деление, в мейозе два. • Митоз — вид клеточного деления, который происходит в процессе роста и развития организма, а мейоз — в процессе образования половых клеток. • При митозе образуются две диплоидные клетки, а при мейозе — четыре гаплоидные клетки. • Митоз лежит в основе бесполого размножения в отличие от мейоза. • В результате митоза образуются генетически идентичные клетки, а в мейозе вследствие случайного расхождения хромосом и кроссинговера дочерние клетки генетически отличаются друг от друга. Развитие половых клеток у растений и животных Гаметогенез – это процесс образования зрелых половых клеток. Развитие половых клеток у растений. У покрытосеменных растений образование мужских и женских половых клеток происходит в различных частях цветка – тычинках и пестиках соответственно. Перед образованием мужских половых клеток – микрогаметогенезом – происходит микроспорогенез, формирование микроспор в пыльниках тычинок (мейотическое деление – 4 гаплоидные споры). Микрогаметогенез сопряжен с митотическим делением микроспоры, дающим мужской гаметофит из двух клеток – крупной вегетативной и мелкой генеративной. После деления мужской гаметофит покрываетсчя плотными оболочками и формирует пыльцевое зерно. Далее генеративная клетка делится митотически с образованием двух неподвижных мужских половых клеток – спермиев. Развитие женских половых клеток у растений называется мегагаметогенезом. Он происходит в завязи пестика, чему предшествует мегаспорогенез, в результате которого из материнской клетки мегаспоры, лежащей внутри семязачатка, путем мейотического деления формируется 4 мегаспоры. Одна из мегаспор трижды делится митотически (мегагаметогенез), давая женский гаметофит – зародышевый мешок с 8 ядрами. При последующем обособлении цитоплазм дочерних клеток одна из образовавшихся клеток становится яйцеклеткой, по бокам от которой лежат так называемые синергиды, на противоположном конце зародышевого мешка формируются три антипода, а в центре в результате слияния двух гаплоидных ядер образуется диплоидная центральная клетка. Развитие половых клеток у животных. У животных различают два процесса образования половых клеток – сперматогенез и оогенез. Сперматогез – это процесс образования зрелых мужских половых клеток – сперматозоидов. У человека он протекает в семенниках, или яичках, и делится на четыре периода: размножение, рост, созревание и формирование. В период размножения первичные половые клетки делятся митотически - образуются диплоидные сперматогонии. В период роста сперматогонии накапливают питательные вещества в цитоплазме, увеличиваются в размерах и превращаются в первичные сперматоциты (сперматоциты I порядка). Далее они вступают в мейоз (период созревания) – образуются сначала 2 вторичных сперматоцита (сперматоциты II порядка), а затем 4 гаплоидные клетки – сперматиды. В период формирования они утрачивают почти всю цитоплазму и формируют жгутик, превращаясь в сперматозоиды. Сперматозоиды – очень мелкие подвижные мужские половые клетки, образованные головкой, шейкой и хвостиком. • В головке находится ядро и акросома – видоизмененный комплекс Гольджи, обеспечивающий растворение оболочек яйцеклетки в процессе оплодотворения. • В шейке находятся центриоли клеточного центра. • В основе хвостика микротрубочки, обеспечивающие движение сперматозоида, митохондрии, обеспечивающие сперматозоид энергией АТФ для движения. Оогенез – это процесс образования зрелых женских половых клеток – яйцеклеток. У человека он происходит в яичниках и состоит из трех периодов: размножения, роста, созревания. Периоды размножения и роста (аналогичны таковым в сперматогенезе) происходят еще в период внутриутробного развития. Из первичных половых клеток в результате митоза образуются первичные оогонии, которые превращаются в диплоидные первичные ооциты (ооциты I порядка). Мейоз и цитокинез (период созревания) характеризуются неравномерностью деления цитоплазмы материнской клетки, в итоге сначала получается один вторичный ооцит (ооцит II порядка) и первое полярное тельце, затем из вторичного ооцита – яйцеклетка, сохраняющая весь запас питательных веществ, и второе полярное тельце. Полярные тельца забирают избыток генетической информации. У человека яйцеклетки вырабатываются с промежутком 28-29 суток, Цикл, связанный с созреванием и выходом яйцеклетки, называется менструальным. Яйцеклетка – крупная женская половая клетка, которая несет гаплоидный набор хромосом и значительный запас питательных веществ для последующего развития зародыша. Яйцеклетка у млекопитающих покрыта 4 оболочками, снижающими вероятность ее повреждения различными факторами.
