1 2

Рис. 22. Фаза трансляции. Комплементарность кодона и-РНК и антикодона т-РНК: Обе т-РНК принесли аминокислоты и временно соединились с и-РНК. Две аминокислоты соединены с помощью пептидной связи. 1 – т-РНК с присоединенной аминокислотой; 2 – образование пептидной связи между двумя аминокислотами

5555655

5

Рис. 23. Общая схема биосинтеза белка: 1 – кодоны и-РНК; 2 – малая и большая субъединицы рибосомы; 3 – поступление в рибосому аминокислоты с помощью т-РНК; 4 – высвободившиеся т-РНК (без аминокислоты); 5 – растущая полипептидная цепь; 6 – кодон; 7 – антикодон.

По завершении биосинтеза полипептидная цепочка отделяется от и-РНК и погружается в канал ЭПС, где приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру. Молекула белка, состоящая из 200–300 аминокислот, в бактериальной клетке собирается за 1–2 минуты.

Таким образом, трансляция – перевод последовательности кодонов

и-РНК в последовательность аминокислот. Она осуществляется, благодаря перемещению рибосомы вдоль молекулы и-РНК, а также подбору каждому ее кодону комплементарного антикодона т-РНК, а затем включению в цепь аминокислоты, доставленной т-РНК. Комплекс из и-РНК и рибосом называется полисома. На полисомах и происходит процесс трансляции.

В ходе биосинтеза белка взаимоотношения ДНК, РНК и белка можно показать схематически: репликация ДНК –> транскрипция РНК –>трансляция –> полипептид (белок).

Биосинтез белка. Решение типовых задач

Задача 1

Одна из цепочек молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ГЦТАЦГГЦТТГЦ. Какие т-РНК, т. е. с какими антикодонами, принимают участие в синтезе белка, закодированного комплементарной цепочкой ДНК?

Решение

Необходимо построить комплементарную цепочку ДНК, поскольку она является, по условию задачи. кодирующей. Комплементарная цепочка ДНК: ЦГА–ТГЦ–ЦГА–АЦГ. Далее построим цепочку и-РНК, комплементарную данной цепи ДНК:

ЦГА– ТГЦ– ЦГА–АЦГ (ДНК)

ГЦУ– АЦГ– ГЦУ–УГЦ (и-РНК).

Антикодоны т-РНК являются комплементарными кодонам и-РНК, следовательно они будут следующие: ЦГА–УГЦ–ЦГА–АЦГ.

Ответ: антикодоны т-РНК: ЦГА–УГЦ–ЦГА–АЦГ.

Задача 2

Молекула белка состоит из 200 аминокислотных остатков. Какую длину (в нм) имеет определяющий его ген, если виток спирали ДНК составляет 3,4 нм, а каждый виток содержит 10 пар нуклеотидов.

Решение

Поскольку белок состоит из 200 аминокислот, то участок ДНК включает 200 триплетов, или 200 х 3=600 нуклеотидов.

Определение длины одного нуклеотида:

Длина одного нуклеотида – Х нм

Длина 10 нуклеотидов – 3,4 нм

Х=0,34 нм

Длина участка ДНК составляет 600х0,34=204 нм.

Ответ: длина участка ДНК составляет 204 нм.

Задача 3.

В молекуле ДНК обнаружено 880 гуаниловых нуклеотидов, которые составляют 22 % от общего количества нуклеотидов этой ДНК. Определить: а) сколько содержится других нуклеотидов по отдельности в этой молекуле ДНК?; б) Какова длина ДНК?

Решение

Согласно принципу комплементарности (А+Т) + (Г+Ц)= 100%.

1. Определяем количество цитидилового нуклеотида: Г= Ц=880, или 22 %.

2. На долю двух других видов нуклеотидов (Т+А) приходится

100 % – 44 %= 56 %.

3) Определяем долю А + Т: Х=56 % х 880/22%= 2240; (А= Т=2240:2=1120).

4) Определяем общее количество нуклеотидов: 880+880+1120+1120=4000.

5) Для определения длины ДНК надо вычислить количество нуклеотидов в одной цепи ДНК: 4000: 2= 2000.

6) Вычисляем длину одной цепи ДНК: 2000 х 0.34 нм = 680 нм

Ответ: длина молекулы ДНК – 680 нм.

Задача 4. Одна из цепей молекулы ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: 5-ЦЦГЦТАТАЦГТЦ-3^,. Определите последовательность аминокислот в соответствующем полипептиде, если известно, что и-РНК синтезируется на цепи ДНК, комплементарной данной цепи ДНК.

Решение

В условии задачи сказано, что и-РНК синтезируется на комплементарной данной цепи ДНК. Поэтому необходимо построить комплементарную цепь ДНК: 3^,-ГГЦГАТАТГЦАГ-5^,. Далее нужно определить последовательность нуклеотидов и-РНК: 5^,- ЦЦГЦУАУАЦГУЦ-3^,. Триплет, или кодон (три рядом расположенных нуклеотида и-РНК) кодирует определенную аминокислоту. Соответствующие триплетам аминокислоты находим по таблице генетического кода. Триплет ЦЦГ соответствует пролину (про), ЦУА – лейцину (лей); УАЦ – тирозину (тир), ГУЦ – валину (вал).

Ответ: последовательность аминокислот в полипептиде будет следующей: про–лей–тир–вал.

Задачи с ответами

Задача 1

Определить последовательность антикодонов т-РНК, участвующих в биосинтезе белка, если транскирибиремая цепь молекулы ДНК имеет вид

ЦГА – ГТТ – АЦЦ

Ответ:

ЦГА – ГТТ – АЦЦ – ДНК

ГЦУ – ЦАА – УГГ – и-РНК

ЦГА – ГУУ – АЦЦ – т-РНК

Задача 2

Полипептидная цепочка имеет следующую последовательность аминокислот: Мет – Сер – Цис – Фен – Сер. Установите последовательность нуклеотидов в соответствующей и-РНК.

Ответ:

АУГ – УЦЦ – УГУ – УУЦ – УЦЦ – и-РНК

Задача 3

Постройте фрагмент двухцепочечной молекулы ДНК по предложенному фрагменту и-РНК: АГА – АУА – УГУ – УЦУ.

Ответ:

АГА – АУА – УГУ – УЦУ – цепь и-РНК

ТЦТ – ТАТ – АЦА – АГА – левая цепь ДНК

АГА – АТА – ТГТ – ТЦТ – правая цепь ДНК

Задача 4

С какими антикодонами т-РНК участвует в синтезе следующей полипептидной цепи: аланин – глицин – тирозин – аспарагин, если кодоны и-РНК комплементарны антикодонам т-РНК:

Ответ

ГЦУ – ЦУУ – УАУ – ААУ – кодоны и-РНК

ЦГА – ГАА – АУА – УУА – антикодоны т-РНК

Морфология хромосом

Хромосомы – структуры ядра клетки, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства организма. Поэтому ядро является информационной системой клетки. Термин «Хромосома» предложен в

1888 г. немецким ученым В. Вальдейером.

В хромосомах сконцентрировано 99 % ДНК клетки. Основу хромосомы составляет ДНК (40 %), связанная с основными белками – гистонами (40 %) в нуклеопротеид. Хромосомы формируются в результате спирализации (укорочения, утолщения) нитей хроматина. Их химическая структура аналогична хроматину. Хроматин представляет собой комплекс ДНК и белков-гистонов. В составе хроматина имеются также негистоновые белки (белки кислые), РНК, липиды, ионы кальция и магния. Хромосомы формируются в результате спирализации хроматина. Благодаря спирализации хромосомной ДНК и упаковке ее белками, длинная молекула ДНК на стадии метафазы митоза максимально укорачивается, и хромосома различима в световой микроскоп как двойная структура. При этом нуклеопротеидные нити хроматина укорачиваются, уплотняются, превращаясь в компактные структуры – хромосомы.

На вид хромосомы представляют собой удлиненные палочковидные структуры, имеющие два плеча, разделенные первичной перетяжкой (центромерой). Центромера – область хромосомы, к которой прикрепляются нити веретена деления. В соматических клетках (клетках тела) содержатся гомологичные хромосомы, всего 23 пары. Каждая пара хромосом состоит из одной «материнской» (из яйцеклетки) и одной «отцовской» (из сперматозоида). Обе они гомологичны, т. е. одинаковы по размеру, форме, набору генов. Половые клетки, образовавшиеся в результате мейоза, содержат только одну из двух хромосом.

У человека около 100 000 генов, расположенных во всех хромосомах, по несколько тысяч в каждой.

Строение хромосомы (рис. 25):

1. плечи хромосомы;

2. первичная перетяжка – центромера, которая представляет собой утонченный неспирализованный участок хромосомы, делящий хромосому на 2 части (плечи хромосомы);

3. кинетохор, расположенный в области центромеры – сократительные (фибриллярные) нити, регулирующие движение хромосом во время деления клетки. К кинетохору присоединяются нити веретена деления, которые разводят хромосомы к полюсам клетки;

4. у некоторых хромосом встречается вторичная перетяжка (ядрышковый организатор хромосом) – участок хромосомы, который отвечает за синтез ядрышек и состоит из РНК и белка.

11

1

Рис. 25. Форма и структура хромосом. Форма хромосом: а – одноплечая (акроцентрическая); б – неравноплечая (субметацентрическая); в – равноплечая (метацентрическая).

Структура хромосомы: 1 –центромера (первичная перетяжка); 2 – вторичная перетяжка; 3 – хромонема; 4 – полухроматиды; 5– хромомера; 6– матрикс; 7– спутник; 8 – вторичная перетяжка (участок хромосомы, отвечающий за синтез ядрышек); 9– эухроматиновый участок; 10 – гетерохроматиновый участок; 11– кинетохор.

Структурной основой хромосомы являются спирально закрученные нити ДНК – хромонемы (рис. 25). Основное вещество хромосомы, в которое погружены хромонемы – матрикс. Гетерохроматиновые участки находятся в сильно спирализованном состоянии (состоянии конденсированного хроматина). Они представляют собой уплотненные участки хромосом, напоминающие бусины и называются хромомерами. Имеются также эухроматиновые участки – участки деспирализующегося хроматина. Некоторые хромосомы имеют спутник – округлое или палочковидное тело, который с хромосомой соединяется тонкой хроматиновой нитью.

В зависимости от расположения центромеры различают следующие морфологические типы хромосом:

1. равноплечие (метацентрические – центромера расположена по середине хромосомы, и поэтому по длине плечи одинаковые);

2. неравноплечие (субметацентрические – центромера смещена к одному из краев, и поэтому по длине плечи разные);

3. одноплечие (акроцентрические – центромера расположена в теломерном участке хромосомы, и поэтому она имеет одно плечо).

Различают гаплоидный набор хромосом в половых клетках (n) и диплоидный набор хромосом в соматических клетках (2n). Совокупность генов в гаплоидном наборе хромосом называется геномом.

Кариотип – совокупность количественных (число, величина) и качественных признаков (форма) диплоидного набора хромосом в соматической клетке.

Правила хромосом

1. Постоянства числа хромосом – у каждого вида число хромосом постоянно.

2. Парности (гомологичности) – хромосомы образуют пары, которые формируются в зиготе, причем одна из хромосом – материнская, а вторая – отцовская (у человека 23 пары, у дрозофилы – 4 пары).

3. Индивидуальности – каждая пара хромосом в кариотипе отличается от других пар хромосом, характеризуется своими особенностями.

4. Непрерывности – каждая хромосома воспроизводит себе подобную, что обусловлено удвоением хромосом с последующим делением клеток.

В 1972–1973 гг. разработан метод дифференциальной G-окраски хромосом. При окраске основными красителями разные участки хромосом дают разную реакцию. Одни участки интенсивно окрашиваются. Их назвали гетерохроматиновыми. Другие участки слабо окрашиваются. Они названы эухроматиновыми. Под микроскопом каждая окрашенная хромосома имеет характерную для нее последовательность окрашенных и слабо окрашенных полос (сегментов). Это позволяет идентифицировать хромосомы и определять, в каком ее сегменте произошли нарушения.

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ КЛЕТКИ

Способы деления клеток

Клеточный цикл – период жизни клетки от момента ее образования путем деления материнской до собственного деления.

Способы деления соматических клеток:

1. деление надвое, или бинарное;

2. амитоз – прямое деление;

3. митоз – непрямое деление;

4. мейоз – редукционное деление.

Деление надвое, или бинарное характерно для клеток прокариот (бактерий), в которых имеется нуклеоид – генетический аппарат бактериальной клетки (бактериальная хромосома). Представляет собой кольцевидную молекулу ДНК, не соединенную с гистонами. Нуклеоид обычно находится в центре клетки и не отграничен своей мембраной от содержимого клетки. Деление нуклеоида происходит после завершения репликации ДНК. Расхождение дочерних ДНК обеспечивается ростом клеточной мембраны. Перед делением клетки ДНК удваивается, и образуются 2 кольцевые молекулы ДНК. Затем клеточная мембрана врастает в цитоплазму, встраивается между 2 молекулами ДНК и делит клетку надвое.

Амитоз – прямое деление интерфазного ядра клетки путем перетяжки, при котором не происходит образование веретена деления. При амитозе ядро делится, а цитоплазма может оставаться неразделенной. В этом случае хромосомы распределяются неравномерно. Путем амитоза делятся клетки, в которых протекают патологические процессы, например, клетки злокачественных опухолей. У человека и животных амитотически делятся клетки печени, хрящевой ткани, роговицы глаза. У растений амитотически делятся клетки эндосперма. Признаки, характеризующие амитоз:

1. деление ядра может происходить без деления цитоплазмы;

2. встречается он в специализированных клетках (в клетках хрящевой ткани, роговицы глаза);

3. клетка, в которой произошел амитоз, не способна к митозу.

Митоз – основной тип деления эукариотических клеток.

Митоз – это непрямое деление соматических клеток эукариотических организмов, при котором дочерние ядра несут такое же число хромосом, что и родительская клетка. Митоз обеспечивает увеличение числа клеток в организме, рост, процессы регенерации. В 1874 г. И.Д. Чистяков описал некоторые фазы митоза у спор плауна и хвоща. Затем детально исследовали митоз немецкий ботаник, Э. Страсбургер (1876–1879 гг.) – в клетках растений и немецкий цитолог, В. Флемминг (1882 г.) – в клетках животных.

Митотический цикл – совокупность процессов, происходящих в клетке при подготовке ее к делению и в период ее деления.

Митотический цикл подразделяется на интерфазу и митоз (рис. 26). Интерфаза – промежуток времени между делениями клетки. Интерфаза в свою очередь подразделяется на три фазы – G₁ , S, G₂.

В постмитотическом (пресинтетическом) периоде – фаза G₁ идет подготовка клетки к удвоению ДНК: интенсивный рост клетки; активный биосинтез РНК, белков, липидов, углеводов, АТФ и ферментов.

В синтетическом периоде – фаза S , длительность которого составляет 6–8 часов, осуществляется главный процесс – репликация ДНК (удвоение хромосом). Способ синтеза ДНК – репликация, или самоудвоение молекул ДНК. В ходе репликации происходит передача наследственной информации от материнской ДНК к дочерней ДНК путем точного ее воспроизведения. В результате репликации ДНК каждая хромосома удваивается и состоит из двух хроматид. Хроматиды соединены в центромерной области.

В премитотическом (постсинтетическом) периоде – фаза G₂, длящемся от 2 до 6 часов, происходит: удвоение органелл; синтез белков, липидов, углеводов, синтез АТФ; синтезируются белки, необходимые для образования микротрубочек веретена деления.

Рис. 26. Схема митотического цикла

В делении животных клеток принимает участие органелла – клеточный центр (центросома). Это немембранная органелла, расположенная около ядра, в цитоплазме клетки. Клеточный центр участвует в формировании веретена деления при воспроизводстве клеток. Хромосомы в интерфазе удвоены, и, вступая в митоз, состоят из двух сестринских хроиматид. Митоз (М) подразделяется на 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 27).

Профаза – стадия митоза, в ходе которой происходит конденсация хромосом, распад ядрышек, начинает формироваться веретено деления. В профазе каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных между собой в области центромеры. В конце профазы исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки. Возникает митотическое веретено, состоящее из микротрубочек.

Метафаза – стадия митоза, при которой хромосомы выстраиваются на экваторе веретена, образуя метафазную пластинку. В начале метафазы разрушается ядерная оболочка. Каждая хромосома прикрепляется своим центральным участком (центромерой) к одной из микротрубочек. Имеется также кинетохор, который находится вблизи центрометы и регулирует расположение и направление движения хромосом. В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной области клетки, образуют метафазную пластинку.

Хроматиды хорошо различимы во время метафазы митоза, когда хромосома состоит из двух хроматид.

Анафаза – стадия митоза, характеризующаяся расхождением сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки. Это самая короткая стадия митоза. После деления центромеры хроматиды расходятся в дочерние ядра и становятся самостоятельными хромосомами.

Движение хромосом осуществляется благодаря кинетохору и нитям веретена, которые сокращаются и растягивают хроматиды от экватора к полюсам клетки

Телофаза – стадия митоза, характеризующаяся формированием дочерних ядер. У полюсов клетки хромосомы деспирализуются и приобретают форму длинных нитей, что характерно для неделящегося ядра. Формируются дочерние ядра, а в них – ядрышки. В дочерних ядрах образуются ядерная оболочка, нуклеоплазма. На протяжении телофазы происходит цитокинез – деление цитоплазмы, в результате чего две идентичные дочерние клетки отделяются друг от друга. Они являются генетической копией материнской клетки и содержат диплоидный набор хромосом – 2nc.

Рис. 27. Фазы митоза животной клетки: А–В профаза; Г– прометафаза; Д– метафаза; Е– анафаза; Ж– телофаза; З– цитокинез

Биологическое значение митоза. Митоз обеспечивает генетическую преемственность поколений клеток, генетическую стабильность, т. е. видовое постоянство числа хромосом в клетках.

Митотический индекс (m)– отношение числа претерпевающих митоз клеток в ткани к общему числу клеток ткани или культуры. Митотический индекс определяется по формуле m= N_m / N, где N_m – число претерпевающих митоз клеток в ткани, а N – общее число клеток ткани (1000 клеток). У каждой ткани – свой митотический индекс. Более высокие его показатели характерны для росткового слоя кожи (0,7), верхушечная и боковая меристемы (0,7), эпителия тонкого кишечника (0,78), клеток красного костного мозга (0, 74), а более низкие – для скелетной мышечной ткани (0,0001) и нервной ткани (0,0001).

Мейоз

Мейоз – процесс деления диплоидных клеток половых желез, в ходе, которого наблюдаются редукционное деление, приводящее к уменьшению числа хромосом в дочерних клетках вдвое и уравнительное деление, приводящее к образованию гамет. Мейоз открыт В. Флеммингом в 1882 г. у животных, а Э. Страсбургер в 1888 г. выявил редукцию числа хромосом у растений.

Интерфаза мейоза. В интерфазе происходит удвоение молекул ДНК в синтетическом периоде. При этом удваиваются хромосомы. В каждой хромосоме содержится по 2 хроматиды (2n2c).

1. Первое деление мейоза

Профаза 1. В профазу 1 вступают хромосомы, удвоенные в интерфазе.

Поэтому в начале профазы хромосомы удвоены (диплоидный набор) и в каждой из них содержится по 2 хроматиды (2n2c). Затем осуществляются процессы (рис. 28) конъюгации и кроссинговера. В профазе-1 различают стадии: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез.

Конъюгация хромосом – процесс попарного временного сближения гомологичных хромосом. Лептотена – стадия тонких нитей. На стадии зиготены гомологичные хромосомы сближаются попарно и образуют тетрады – структуры из четырех хроматид, или биваленты. Вследствие конъюгации каждый бивалент состоит из 4 сестринских хроматид. Формула генетического материала имеет вид 2n4c.

Кроссинговер – перекрест гомологичных хромосом или хроматид, сопровождающийся обменом соответствующими участками между хроматидами (процессом рекомбинации). На стадии пахитены в бивалентах происходит кроссинговер: взаимный обмен идентичными участками по длине гомологичных хромосом, формируются хиазмы – места перекреста хромосом. Поскольку каждая хиазма соответствует одному событию кроссинговера, в котором участвуют две несестринские хроматиды, то по количеству хиазм можно судить об интенсивности процесса кроссинговера. В хромосомном наборе человека число хиазм колеблется от 35 до 66. Возможен обмен участками между несестринскими хроматидами соседних хромосом – (несестринский обмен) или между сестринскими хроматидами – в пределах одной хромосомы (сестринский обмен).

Генетическим следствием кроссинговера является рекомбинация генов, образуется генетически неоднородный материал, возникают генетические различия между хроматидами, что обеспечивает широкую генетическую изменчивость гамет. На стадии диплотены тетрадный комплекс разрушается. Гомологи отталкиваются друг от друга. Диакинез – стадия завершающая профазу мейоза-1, переходная к метафазе-1. Биваленты укорачиваются, разрушается ядро, начинает формироваться веретено деления.

Метафаза 1. Биваленты, уже генетически неоднородные, располагаются в 2 слоя по экватору клетки.

Анафаза 1. В анафазе к полюсам расходятся хромосомы, состоящие из 2 хроматид, т. е. расходятся половинки бивалентов. Этот процесс называется редукционное деление, в результате которого образуются две клетки, в которых содержится по одной хромосоме, но каждая хромосома состоит из двух хроматид. Формируется гаплоидный набор хромосом. Поэтому формула генетического материала в анафазе-1 имеет вид – n2c).

Телофаза 1. Образуются 2 клетки с гаплоидным набором хромосом и удвоенным количеством ДНК. Веретено деления разрушается. Появляется ядерная оболочка. В конце телофазы 1 происходит цитокинез (деление цитоплазмы с помощью перетяжки), кроме того, формируются диады, т.е. в каждую клетку попадают 2 сестринские хроматиды, соединенные центромерой.

Итак, уже после первого мейотического деления в клетке содержится гаплоидный набор хромосом, и каждая хромосома состоит из двух хроматид.

2. Второе деление мейоза – уравнительное деление (митоз мейоза). Между первым и вторым делениями мейоза присутствует период – интеркинез. В отличие от интерфазы в интеркинезе не реплицируется ДНК, и удвоение хромосом не происходит.

Второе деление мейоза включает такие же фазы, что и первое деление –профазу-2, метафазу-2, анафазу-2, телофазу-2.

В профазе-2 и метафазе-2 мейоза еще сохраняются по две хроматиды в каждой хромосоме. В профазе II мейоза хромосомный набор клетки можно записать в виде формулы 1 n 2 c (n – число хромосом, c – число хроматид).

В анафазе-2 сестринские хроматиды расходятся к полюсам клетки, и каждая из них становится самостоятельной хромосомой. В результате расхождения хроматид к полюсам клетки происходит уравнительное деление.

В телофазе -2 формула генетического материала имеет вид n c.

Рис. 28. Стадии мейоза. Поведение хромосом. Отцовские хромосомы окрашены в черный цвет, материнские – в белый.

Таким образом, мейоз состоит из двух последовательных делений (редукционного и уравнительного). Перед первым делением мейоза, в интерфазе, происходит синтез ДНК, вследствие чего, в каждой хромосоме будет по две хроматиды (однократная репликация ДНК – 2n2c). Редукционное деление заканчивается образованием двух клеток, содержащих гаплоидный набор хромосом, состоящих их двух хроматид (1n2c). Перед вторым делением в мейозе отсутствует интерфаза. Поэтому второму делению не предшествует синтез ДНК и удвоение хромосом. В результате уравнительного деления (митоза мейоза) из одной исходной диплоидной клетки половой железы образуются 4 гаплоидные генетически разнородные клетки. После уравнительного деления формула генетического материала имеет вид – 1n1c.

Биологическое значение мейоза состоит: 1) в формировании генетически разнообразного материала, вследствие кроссинговера; 2) в разнообразии видов, т. к. мейоз служит основой комбинативной изменчивости организмов; 3) в формировании гамет, участвующих в половом размножении; 4) в поддержании генетического постоянства видов.