Лекция 2 Цитологические основы наследственности

Эукариотическая клетка (клетка грибов, растений и животных) является основной единицей живого и способна размножаться, видоизменяться и реагировать на раздражения. Она покрыта цитоплазматической мембраной, которая играет важную роль в регулировании состава клеточного содержимого, так как через нее проникают все питательные вещества и продукты секреции.

Цитоплазма находится внутри цитоплазматической мембраны, но вне ядра и представляет собой гиалоплазму (жидкую часть) и эргастоплазму (органеллы). Органеллы по строению делят на мембранные и немембранные. Мембранами образована эндоплазматическая сеть (ЭПС), заполняющая большую часть цитоплазмы, митохондрии, аппарат Гольджи и лизосомы. Существует два типа ЭПС: гранулярная, к мембранам которой прикреплено множество рибосом - мелких рибонуклеопротеидных частиц, служащих местом синтеза белка, и агранулярная, состоящая из одних только мембран.

Митохондрии – тельца величиной 0,2-5 мкм (микрометров), форма которой варьирует от сферической до палочковидной и нитевидной. Митохондрии сосредоточены в той части клетки, где обмен веществ наиболее и интенсивен. Каждая митохондрия ограничена двойной мембраной; внешний слой мембраны образует гладкую наружную поверхность, а от внутреннего слоя отходят многочисленные складки – кристы. Кристы содержат ферменты, участвующие в системе переноса электронов, которая играет важнейшую роль в превращении энергии питательных веществ в биологически полезную энергию, необходимую для осуществления клеточных функций. Полужидкое внутреннее содержимое митохондрии – матрикс – тоже содержит ферменты. Митохондрии, главная функция которых состоит в вырабатывании энергии, образно называют электростанциями клетки.

Комплекс Гольджи – компонент цитоплазмы, встречающийся почти во всех клетках, кроме зрелых спермиев и красных кровяных телец (эритроцитов), - представляет собой неупорядоченную сеть канальцев, выстланных мембранами. Обычно он расположен около ядра и окружает центриоли (немембранные органеллы цитоплазмы, играющие важную роль в клеточном делении, образуя веретено деления). Комплекс Гольджи служит местом временного хранения веществ, вырабатываемых в гранулярной эндоплазматической сети, а канальцы комплекса соединены с плазматической мембраной.

Лизосомы – группа внутриклеточных органелл, встречающихся в животных клетках, сходны по величине с митохондриями и представляют собой ограниченные мембраной тельца, которые содержат разнообразные ферменты, способные гидролизовать макромолекулярные компоненты клетки. В случае проникновения в клетку чужеродной ДНК (вируса) лизосомы выделяют в цитоплазму ферменты, расщепляющие ДНК, - нуклеазы, и тем самым выполняют защитную функцию.

Каждая клетка содержит ядро, которое служит важным регулирующим центром клетки. Ядро содержит наследственные факторы (гены), определяющие признаки данного организма, и управляет многими внутриклеточными процессами. Ядерная оболочка (кариолемма) окружает ядро и отделяет его от цитоплазмы и регулирует движение веществ из ядра и в ядро. Ядерный сок (кариоплазма) – полужидкое основное вещество ядра, в котором размещается строго определенное число нитевидных образований, называемых хромосомами. Хромосомы имеют продолговатую форму, состоят из двух хроматид с расположенной в том или ином участке перетяжкой - центромерой. Центромера делит хромосому на две части, называемые плечами хромосомы. Встречаются равноплечие хромосомы (метацентрические), неравноплечие (субметацентрические, акроцентрические). Длина хромосомы варьирует от 1 до 30 мкм. Более чем половину всей массы хромосомы составляет белок гистон, обладающий щелочными свойствами вследствие высокой концентрации в нем аминокислот аргинина и лизина. Хромосома содержит некоторое количество белка, имеющего кислотные свойства. ДНК и РНК содержатся в хромосомах в небольших, но измеримых количествах.

Гистон и ДНК объединены в структуру, называемую хроматиновой нитью, которая представляет собой двойную спираль ДНК, окружающую гистоновый стержень; она построена из повторяющихся единиц (нуклеосом), в каждую из которых входят примерно 200 пар оснований ДНК и по две молекулы каждого из четырех гистонов.

Хроматиновая нить обычно образует спираль диаметром около 25 мкм. По способности окрашиваться ядерными красителями хроматиновые нити подразделяют на две группы: эухроматин и гетерохроматин. Последний окрашивается более интенсивно.

Перед началом клеточного деления большая часть хроматина уплотняется, образуя хромосомы. Число хромосом в клеточных ядрах всех особей какого-либо вида постоянно и представляет собой один из его признаков. Зигота содержит диплоидный набор хромосом. Одинарный набор хромосом называют геномом. Набор хромосом, свойственный тому или иному виду животных называют кариотипом. Различают пары аутосом и последнюю пару половых хромосом.

В ядре находится сферическое тельце (одно или несколько), называемое ядрышком. Ядрышки исчезают, когда клетка готовится к делению, а затем появляются вновь. В ядрышках синтезируется рРНК (рибосомальная рибонуклеиновая кислота), из которой формируются частицы рибосом.

Митоз

Митоз – это непрямое деление соматических клеток, при котором каждая из двух дочерних клеток получает такое же количество и те же типы хромосом, какие имела материнская клетка. Промежуток времени между окончанием одного клеточного деления и окончанием последующего называют митотическим циклом, который подразделяется на митоз и интерфазу. Интерфаза включает тир периода. В первом периоде интерфазы, идущим вслед за прошедшим митозом и обозначаемой G1 (пресинтетическая фаза), осуществляется синтез белков иРНК. Затем следует период синтеза ДНК (фаза S - синтетическая), в течение которого количество ДНК в ядре клетки удваивается. В постсинтетический период (фаза G2) происходит синтез РНК и белков (в особенности ядерных) и накапливается энергия для следующего митоза.

Митоз делится на четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В первой стадии митоза – профазе – происходит формирование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, спирально закрученных друг относительно друга. Хроматиды утолщаются и укорачиваются в результате процесса внутренней спирализации.

Начинает выявляться слабо окрашенная и менее конденсированная область хромосомы – центромера. Во время профазы ядрышки постепенно уменьшаются в размерах, пока в конце концов их материал не диспергируется. Ядерная оболочка также распадается, и хромосомы оказываются в цитоплазме. В это время центриоль делится и дочерние центриоли расходятся в противоположные концы клетки. От каждой центриоли отходят тонкие нити в виде лучей; между центриолями формируются нити веретена деления. После разрушения ядерной оболочки каждая хромосома прикрепляется к нитям веретена при помощи своей центромеры.

Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора, образуя метафазную пластинку, и начинается следующий период митоза – метафаза. Центромера делится , и хроматиды превращаются в две совершенно обособленные дочерние хромосомы. Деление центромер происходит одновременно во всех хромосомах.

Рекомендуемые материалы

Центромеры расщепляются и это уже начало анафазы. Выстроившись вдоль экватора хромосомы (сестринские хроматиды) тот час же начинают расходиться к разным полюсам клетки.

Телофаза начинается с момента достижения хромосомами полюсов. Хромосомы возвращаются в состояние, при котором видны лишь хроматиновые нити или гранулы; вокруг каждого дочернего ядра образуется ядерная оболочка. На этом завершается деление ядра, называемое кариокинезом, за которым следует деление тела клетки, или цитокинез.

У большинства типов клеток весь процесс митоза занимает один-два часа. Регулярный и упорядоченный митотический процесс обеспечивает передачу генетической информации каждому из дочерних ядер; в результате каждая клетка содержит генетическую информацию обо всех признаках организма.

Мейоз

Мейоз (от греч. уменьшение) был открыт В.Флеммингом у животных в 1882 году. Мейоз – это уменьшительное деление половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов). Мейоз состоит из двух клеточных делений, при которых число хромосом уменьшается вдвое, так что гаметы получают вдвое меньше хромосом, чем другие клетки тела. Отличительной особенностью первого деления мейоза является сложная и сильно растянутая по времени профаза I, в которой выделяют пять стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез. Лептотена (стадия тонких нитей) – начало конденсации хромосом, в целом напоминает раннюю профазу митоза, отличаясь более тонкими хромосомами и крупными ядрами. Зиготена (стадия сливающихся нитей) – сближение и начало коньюгации (попарного временного сближения гомологичных хромосом, при котором возможен обмен их гомологичными участками – кроссинговер) гомологичных (сходных) хромосом; к концу ее все гомологи объединяются в биваленты (двойни гомологичных хромосом). В пахитене (стадия толстых нитей) происходит кроссинговер. Диплотена (стадия двойных нитей, или стадия четырех хроматид) начинается взаимным отталкиванием гомологов и появлением хиазм (места соединения хроматид разных хромосом); у подавляющего большинства организмов в диплотене происходит дальнейшая спирализация хромосом и редукция числа ядрышек. Завершается обмен гомологичными участками хроматид. Для диакинеза (стадия обособления двойных нитей) характерны уменьшение числа хиазм и значительная компактность бивалентов. Биваленты гомологичных хромосом отходят к периферии ядра, так, что их легко подсчитать. На этом завершается профаза I.

Метафаза I начинается с момента исчезновения ядерной оболочки. Биваленты располагаются в экваториальной плоскости клетки. Формируется веретено деления.

В анафазе I начинается движение гомологичных хромосом к полюсам клетки. То есть именно в анафазе происходит редукция – сокращение числа хромосом.

Телофаза I характеризуется обособлением двух дочерних ядер. Ее нередко рассматривают как состояние покоя между двумя делениями мейоза интеркинез.

Водный обмен растений - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Второе деление мейоза происходит в обоих дочерних ядрах так же, как и в митозе. Моновалентные хромосомы (каждая из которых состоит из двух хроматид) сокращаются (профаза II) и ориентируются по экватору (метафаза II). Возникает веретено деления из ахроматиновых нитей. В стадии анафазы II хроматиды отделяются друг от друга и быстро расходятся к разным полюсам. В телофазе II происходят образование ядер, деспирализация хромосом. В результате двух последовательных делений мейоза из одной исходной диплоидной клетки образуются 4 гаплоидные генетически разнородные клетки.

Гаметогенез

Гаметогенез – это развитие половых клеток (гамет). Сперматогенез – развитие мужских гамет (спермиев). Оогенез – развитие женских гамет (яйцеклеток). Диплоидные клетки, из которых развиваются гаметы, называют оогониями и сперматогониями. Их быстрая пролиферация (разрастание) путем митоза приводит к образованию огромного количества клеток (ооцитов и сперматоцитов).

В сперматогенезе различают четыре периода: размножения, роста, созревания и формирования. В первом периоде диплоидные клетки – сперматогонии несколько раз делятся путем митоза и в последней интерфазе (премейотической) в них происходит репликация ДНК. Во втором периоде они растут и называются сперматоцитами 1-го порядка; ядро их проходит длинную профазу мейоза, во время которой совершается коньюгация гомологичных хромосом, кроссинговер и образуются биваленты. В третьем периоде происходят два последовательных деления созревания, или мейотических деления. В результате первого деления из каждого сперматоцита 1-го порядка образуются два сперматоцита 2-го порядка, а после второго деления – четыре одинаковые по размерам сперматиды; при этих делениях происходит уменьшение (редукция) числа хромосом вдвое. Сперматиды вступают в четвертый период формирования и превращаются в спермии. В результате сперматогенеза из одной диплоидной сперматогонии образуется четыре гаплоидных спермия. Сперматогенез совершается у большинства видов животных в семенных канальцах семенника.

Оогенез состоит из трех периодов: размножения, роста и созревания. В период размножения путем митозов увеличивается число диплоидных половых клеток оогоний; после прекращения митозов и репликации ДНК в премейотической интерфазе они вступают в профазу мейоза, совпадающую с периодом роста клеток, называемых ооцитами 1-го порядка. В начале периода роста (фаза медленного роста, или превителлогенез) ооцит 1-го порядка увеличивается незначительно, в его ядре происходят коньюгация гомологичных хромосом и кроссинговер. Эта фаза у ряда животных может длиться годами. В фазе быстрого роста (вителлогенеза) увеличивается объем ооцитов 1-го порядка за счет накопления рибосом и желтка. В период созревания происходят два деления мейоза; в результате первого деления образуется небольшое полярное тельце и крупный ооцит 2-го порядка. К концу периода созревания, ооциты преобретают способность оплодотворяться, а дальнейшее деление их ядер блокируется. Мейоз завершается выделением второго полярного тельца и образованием гаплоидной яйцеклетки из ооцита 2-го порядка. Полярные тельца впоследствии дегенерируются. В результате оогенеза из одной диплоидной оогонии образуются 3 направительные тельца и одна яйцеклетка с гаплоидным набором хромосом.

Оплодотворение – это слияние мужской половой клетки с женской с образованием зиготы. Самое главное в процессе оплодотворения – это слияние мужского и женского пронуклеусов. Оплодотворение – процесс видоспецифичный, то есть спермии одного вида организмов, как правило, не оплодотворяют яйца другого вида. В яйцеклетку из спермия проникает только ядро и одна из центриолей.

Спермий стимулирует яйцо к развитию; вносит гаплоидный набор хромосом в качестве отцовского генетического вклада во вновь формирующуюся зиготу; вносит в яйцо центриоль, участвующую в механизме клеточного деления (образование веретена деления).