Клетка как генетическая система

18.11.2014

Клетка живого организма — сложная биологическая система. Среди живых организмов встречаются два типа организации клеток: прокариоты, или «предьядерные» клетки (бактерии и синезеленые водоросли), и эукариоты, или «обладающие настоящим ядром» клетки (все одно- и многоклеточные организмы — растения, грибы и животные).
Строение клетки. Всякий многоклеточный организм, будь то растение, животное или человек, состоит из множества клеток, и все они происходят (при половом размножении) только от одной оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Величина и строение клетки теснейшим образом связаны с ее функцией. Общим для всех животных клеток является то, что каждая из них содержит цитоплазму и ядро.
Цитоплазма представляет собой относительно однородную массу, в состав которой входят вода, белки, жиры, углеводы и минеральные вещества. В этой коллоидообразной массе различают эндоплазматическую сеть, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы, пластиды и центросому (рис. 1.2).

Клетка как генетическая система

Эндоплазматическая сеть состоит из множества тонких мембран. Мембраны образуют разветвленную сеть канальцев. В физиологически активных клетках содержимое канальцев находится в непрерывном движении, что способствует притоку необходимых веществ к органоидам цитоплазмы и выполнению свойственных им функций.
Рибосомы — это мельчайшие образования, расположенные на поверхности мембран эндоплазматической сети. В рибосомах происходит синтез белков и ферментов — важнейших веществ, обусловливающих все морфологические и физиологические признаки организма.
Митохондрии — более крупные образования, чем рибосомы. Их главная функция — выработка свободной энергии, которая используется во всех процессах жизнедеятельности клетки и организма в целом. Кроме того, в митохондриях синтезируются жирные кислоты и некоторые другие вещества.
Аппарат Гольджи обнаружен в цитоплазме клеток всех организмов. Есть основания считать, что он выполняет выделительную функцию.
Лизосомы — мельчайшие образования в виде округлых мешочков, покрытых мембраной. Они выполняют функцию пищеварения и тем самым очищают клетку от посторонних включений. При некоторых условиях (инфекция) они могут разрушить и переварить даже ту клетку, и которой находятся.
Пластиды обнаружены только в растительных клетках. Различают три типа пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.
Центросома (клеточный центр) играет важную роль при делении клетки. Она состоит из центриоли и центросферы — своеобразно дифференцированного участка цитоплазмы.
Ядро — важнейшая составная часть клетки. Эго наиболее крупный органоид клетки, составляющий 10—20 % ее объема. Оно может находиться в состоянии покоя или деления. Полость ядра заполнена ндерным соком (кариолимфой). Каждое ядро содержит одно или несколько ядрышек. Ядрышко не включает ДН К, но зато и нем имеется большое количество РНК и белка. В ядре находятся своеобразные окрашивающиеся тельца — хромосомы (хромо — краска, сома — тело). Именно они служат носителями наследственности. Утрата или добавление даже небольшого участка хромосомы нарушает развитие организма, а в ряде случаев вызывает его смерть.
Хромосомы различаются по своей величине и морфологическому строению. Каждая хромосома имеет центромеру (место прикрепления нити веретена деления). В зависимости от места расположения центромеры хромосомы подразделяют на следующие типы (рис. 1.3): метацентрические (центромера делит хромосому на два равных плеча); субметацентрические (центромера делит хромосому на два неравных плеча); акроцентрические (центромера расположена на краю хромосомы); телоцентрические (центромера расположена на самом конце хромосомы, такие хромосомы имеют только одно плечо). При описании хромосом короткое плечо обозначают буквой р. а длинное q.
Клетка как генетическая система

Объективным критерием для отнесения хромосом к той или иной группе служит центромерный индекс, который выражает отношение длины короткого плеча к длине хромосомы в процентах. При этом к акроцентрическим хромосомам принято относить хромосомы с центромерным индексом менее 12,5 %, к субметацентрическим — от 12,5 до 27, к метацентрическим — от 27,1 до 50 %.
В соматических клетках в отличие от половых имеются по две хромосомы каждого типа, одна из которых получена особью от матери, вторая — от отца. Число хромосом в соматической клетке называют Диплоидным и обозначают как 2n. Общее число хромосом в половых клетках, каждая из которых содержит лишь по одной хромосоме из каждой пары, вдвое меньше, чем в соматических клетках. Его называют гаплоидным и обозначают л.
Набор хромосом соматической клетки, свойственный тому или иному виду животных или растений, называют кариотипом. Кариотип состоит из аутосом и половых хромосом: 2А+ХY (мужской пол), 2А+ХХ (женский пол). Одинарный набор хромосом называют геномом. Например, кариотип человека может быть записан в следующей форме: 46, ХY — нормальный кариотип мужчины; 46, XX — нормальный кариотип женщины; 47, ХY, 21+ — анормальный кариотип мальчика, дополнительная хромосома по 21-й паре, болезнь Дауна.
Изменение числа, формы и размеров хромосом влечет изменение признаков организма, возникновение наследственных аномалий.
В настоящее время установлены кариотипы для большинства видов животных и растений. Диплоидный набор хромосом у некоторых животных следующий:
Клетка как генетическая система

Клетка представляет единую генетическую систему взаимосвязанных органоидов (ядро, митохондрии и т. д.), каждый из которых играет определенную роль в ее функционировании и развитии. На строение и функционирование органоидов клетки и на жизнеспособность организма в определенной степени влияют некоторые гены.
Роль клеточного ядра в наследственности. Для выяснения роли ядра в наследственности проводили опыты с замещением ядра у водоросли ацетабулярия (Acetabularia). Были использованы два ее вида, резко отличающихся формой шляпки. Эта водоросль в период вегетативного цикла представляет крупную одноядерную клетку с длиной стебелька до 6 см. Если шляпку или стебелек со шляпкой отрезать, то они вновь регенерируют из остатка водоросли, где сохранилось ядро. Если извлеченное ядро одного вида ацетабулярии переносили в изолированный стебелек другого вида (ядро было удалено), то шляпка имела форму вида, от которого было взято ядро.
Академик Б. Л. Астауров подвергал неоплодотворенные яйца тутового шелкопряда тепловому шоку и рентгеновскому облучению, чтобы полностью разрушить их ядра, не повредив цитоплазму, которая менее чувствительна к этим воздействиям. Затем такие яйца оплодотворяли, ядра двух спермиев, проникших в безъядерную яйцеклетку, сливались друг с другом и образовывалась зигота. В данном случае зигота имела ядро, происходящее целиком от отца и цитоплазму целиком от матери. Из таких зигот развивались исключительно самцы, и они довольно точно повторяли фенотип отца, что было особенно заметно, когда яйца брали от одной расы тутового шелкопряда, а спермин от другой, фенотипически хорошо различавшихся между собой.
В 1997 г. группа ученых из Рослинского института в Эдинбурге (Шотландия) заявила о селекционном открытии в области генной инженерии. Без участия половых клеток барана была получена овечка Долли с выраженными признаками породы финн-дорсет, выношенная и рожденная овцой тотлиндской черноголовой породы. Процесс зарождения Долли шел следующим образом: из клетки вымени 6-летней овцы было изъято ядро с ДНК и с помощью электрического разряда (электропорация) помещено в недозрелую яйцеклетку овцы другой породы — шотландской черноголовой, откуда предварительно удалили собственное ядро. Особая клеточная среда яйцеклетки «включила» процесс развития ядра. Несколько дней спустя эмбрион был пересажен в матку третьей овцы (шотландской черноголовой породы), которая через положенное время родила ягненка породы финн-дорсет. Таким образом, фактически у Долли было три матери и ни одного отца. Биологически же ее родителями являются овца и баран, зачавшие ту овцу, из клетки которой было взято ядро с ДНК. Долли пала в 2003 г., причем перед гибелью у нее проявилась высокая агрессивность, сменившаяся полной апатией. У овцы отмечалось чрезвычайно быстрое старение клеток.
Из 277 экспериментально полученных зигот только одна прошла все стадии развития вплоть до рождения нормального ягненка. Эти результаты открывают путь для вегетативного размножения высших организмов: каждая особь в результате трансплантации ядер из клеток реципиентам может дать начало многим совершенно идентичным потомкам. Этот процесс называют клонированием.
Деление клетки. Существует прямое деление клетки путем перетяжки ее — амитоз и непрямое — митоз, когда сложные изменения наблюдаются в ядре и цитоплазме. Изменения, происходящие в клетке в период от одного деления до другого, называют клеточным циклом. Большинство клеток делятся митотически.
Путем митоза происходит дробление оплодотворенной клетки, развитие органов и тканей. Основное значение митоза — идентичное воспроизведение клетки, поддержание постоянства числа хромосом. Митоз обеспечивает биологическое омоложение клетки. У человека и животных вследствие митотического деления оплодотворенной яйцеклетки рождаются однояйцовые близнецы.
Митотический цикл состоит из двух основных периодов: интерфазы и митоза (собственно деления клетки). В интерфазе, в свою очередь, выделяют 3 периода:
1) G1 предсинтетическмй — происходит подготовка к удвоению хромосом, синтезируется фермент ДНК-полимераза, нуклеотиды РНК. белки, которые накапливаются в ядре, вызывая увеличение его объема;
2) S — происходит синтез ДНК, ее удвоение. Это наиболее важная часть цикла, так как без удвоения ДНК невозможна редупликация хромосом;
3) G2 — происходит синтез и накопление энергии, белков, РНК, увеличивается объем ядра.
Митоз включает профазу, мета фазу, анафазу и телофазу (рис. 1.4). В профазе хромосомы спирализуются, утолщаются и укорачиваются. Видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой. В конце профазы хромосомы начинают передвигаться к экватору клетки.
Клетка как генетическая система

В метафазе хромосомы полностью располагаются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку, В это время удобно анализировать форму, число хромосом, характер хромосомных перестроек. Хромосомы прикреплены центромерами к нитям веретена деления. Затем происходит деление всех центромер, хроматиды отделяются друг от друга и начинают движение к полюсам. После этого они становятся хромосомами.
В анафазе хромосомы заканчивают движение и в равном количестве сосредоточиваются у противоположных полюсов.
В талофазе хромосомы деспирализуются, становятся невидимыми в снеговой микроскоп. После деления ядра происходит деление цитоплазмы и образуются две дочерние клетки, идентичные исходной материнской клетке.
Мейоз — это два следующих друг за другом деления клетки, которые лежат в основе образования гамет, содержащих гаплоидный набор хромосом (n). Два деления условно называют мейоз I и мейоз II. В каждом делении мейоза, как и митоза, различают профазу, метафазу, анафазу и телоaфазу. Первое деление редукционное, оно обеспечивает уменьшение в ядре числа хромосом вдвое. Второе деление — эквационное, или уравнительное: центромера каждой хромосомы делится, и дочерние хромосомы (бывшие хроматиды) расходятся к полюсам в равном количестве (рис, 1.5). В профазе I парные хромосомы сближаются, происходит конъюгация — соединение двух хромосом. Во время коньюгации гомологичные хромосомы могут обмениваться между собой участками. Обмен идентичными участками гомологичных хромосом называют кроссинговером (рис. 1.6). Он приводит к комбинированию генетического материала в хромосомах.
Клетка как генетическая система

В результате двух делений мейоза из одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидных клетки.
Генетическое значение мейоза заключается в следующем:
1) при конъюгации гомологичных хромосом происходит кроссинговер, что является источником комбинативной изменчивости;
2) негомологичные хромосомы из каждой пары независимо друг от друга распределяются в образующихся гаметах, что является еще одним источником комби нативной изменчивости. Число возможных комбинаций материнских и отцовских хромосом в гаметах потомка равно 2n (где n — гаплоидный набор хромосом). У человека число комбинаций равно 2в23;
3) в гаметах число хромосом уменьшается вдвое, что дает возможность поддерживать постоянство диплоидного набора хромосом вида при оплодотворении.
Клетка как генетическая система

Гаметогенез и оплодотворение. Процесс образования женских репродуктивных клеток называют овогенезом, мужских — спермиогенезом.
При овогенезе в яичниках самки образуются овогонии, которые превращаются в овоцит I порядка. В результате редукционного деления мейоза из каждого овоцита I порядка образуются две гаплоидные клетки — крупный овоцит II порядка и маленькое направительное тельце. При втором делении мейоза овоцит II порядка вновь делится, давая зрелую яйцеклетку и новое направительное тельце. Одновременно делится и первое направительное тельце на две клетки. Таким образом, из одного диплоидного овоцита I порядка образуется одна яйцеклетка и три маленьких направительных зельца, которые в дальнейшем рассасываются.
При спермиогенезе из сперматогонии образуется сперматоцит I порядка, затем в результате редукционного деления мейоза образуются два гаплоидных сперматоцита II порядка. Далее происходит эквационное деление: из каждого сперматоцита II порядка образуется 2 сперма гиды, которые без деления превращаются в зрелые спермии. В результате двух делений мейоза из одного диплоидного сперматоцита I порядка образуется 4 зрелых гаплоидных спермия.
В результате слияния яйцеклетки и спермия происходит оплодотворение. Зигота имеет диплоидный набор хромосом (2n), в ней сочетаются признаки родительских форм. Это еще один источник комбинативной изменчивости. Далее начинается сложное взаимодействие генов друг с другом, а после рождения нового организма — взаимодействие «генотип + внешняя среда».


Добавить комментарий
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: