Строение клетки. Роль ее органоидов в передаче наследственной информации

 

1 (3). Строение клетки. Роль ее органоидов в передаче  наследственной информации.

В 1939 г. Шлейден и Шванн сформулировали клеточную теорию, которая утверждала, что все высшие растения и животные из мелких элементарных единиц, так называемых клеток. Клетка — элементарная единица живой системы.

Функции в клетке распределены между различными органоидами, такими, как клеточное ядро, митохондрии  и т.д. У многоклеточных организмов разные клетки (например, нервные, мышечные, клетки крови у животных или клетки стебля, листьев, корня у растений) выполняют разные функции и поэтому  различаются по структуре. Несмотря на многообразие форм, клетки разных типов  обладают поразительным сходством  главных структурных особенностей. В качестве единого целого клетка реагирует и на воздействие внешней  среды. При этом одна из ее особенностей как целостной системы — обратимость  некоторых происходящих в ней  процессов. Например, после того как  клетка отреагировала на внешние  воздействия, она возвращается к  исходному состоянию. В ней сосредоточена  наследственная информация, обеспечивающая сохранность вида и разнообразие особей.

Строение растительной клетки: целлюлозная оболочка, мембрана, цитоплазма с органоидами, ядро, вакуоли с  клеточным соком. Наличие пластид  — главная особенность растительной клетки.

Функции клеточной оболочки — определяет форму клетки, защищает от факторов внешней среды.

Плазматическая мембрана — тонкая пленка, состоит из взаимодействующих  молекул липидов и белков, отграничивает  внутреннее содержимое от внешней среды, обеспечивает транспорт в клетку воды, минеральных и органических веществ путем осмоса и активного переноса, а также удаляет продукты жизнедеятельности.

Цитоплазма — внутренняя полужидкая среда клетки, в которой  расположено ядро и органоиды, обеспечивает связи между ними, участвует в  основных процессах жизнедеятельности.

Эндоплазматическая сеть — сеть ветвящихся каналов в цитоплазме. Она участвует в синтезе белков, липидов и углеводов, в транспорте веществ. Рибосомы — тельца, расположенные  на ЭПС или в цитоплазме, состоят  из РНК и белка, участвуют в синтезе белка. ЭПС и рибосомы — единый аппарат синтеза и транспорта белков.

Митохондрии — органоиды, отграниченные от цитоплазмы двумя  мембранами. В них окисляются органические вещества и синтезируются молекулы АТФ с участием ферментов. Увеличение поверхности внутренней мембраны, на которой расположены ферменты за счет крист. АТФ — богатое энергией органическое вещество.

Пластиды (хлоропласты, лейкопласты, хромопласты), их содержание в клетке — главная особенность растительного  организма. Хлоропласты — пластиды, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, который поглощает энергию света  и использует ее на синтез органических веществ из углекислого газа и  воды. Отграничение хлоропластов от цитоплазмы двумя мембранами, многочисленные выросты  — граны на внутренней мембране, в которых расположены молекулы хлорофилла и ферменты .

Комплекс Гольджи — система полостей, отграниченных от цитоплазмы мембраной. Накапливание в них белков, жиров и углеводов. Осуществление на мембранах синтеза жиров и углеводов.

Лизосомы — тельца, отграниченные  от цитоплазмы одной мембраной. Содержащиеся в них ферменты ускоряют реакцию  расщепления сложных молекул  до простых: белков до аминокислот, сложных  углеводов до простых, липидов до глицерина и жирных кислот, а также  разрушают отмершие части клетки, целые клетки.

Вакуоли — полости в  цитоплазме, заполненные клеточным  соком, место накопления запасных питательных  веществ, вредных веществ; они регулируют содержание воды в клетке.

Ядро — главная часть  клетки, покрытая снаружи двух мембранной, пронизанной порами ядерной оболочкой. Вещества поступают в ядро и удаляются  из него через поры. Хромосомы —  носители наследственной информации о  признаках организма, основные структуры  ядра, каждая из которых состоит  из одной молекулы ДНК в соединении с белками. Ядро — место синтеза  ДНК, иРНК, рРНК. Строение животной клетки — наличие наружной мембраны, цитоплазмы с органоидами, ядра с хромосомами.

Наружная, или плазматическая, мембрана — отграничивает содержимое клетки от окружающей среды (других клеток, межклеточного вещества), состоит из молекул липидов и белка, обеспечивает связь между клетками, транспорт веществ в клетку (пиноцитоз, фагоцитоз) и из клетки.

Цитоплазма — внутренняя полужидкая среда клетки, которая  обеспечивает связь между расположенными в ней ядром и органоидами. В цитоплазме протекают основные процессы жизнедеятельности.

Органоиды клетки:

1) эндоплазматическая сеть (ЭПС) — система ветвящихся  канальцев, участвует в синтезе  белков, ли-пидов и углеводов, в транспорте веществ в клетке;

2) рибосомы — тельца, содержащие  рРНК, расположены на ЭПС и в цитоплазме, участвуют в синтезе белка. ЭПС и рибосомы — единый аппарат синтеза и транспорта белка;

3) митохондрии — Усиловые станцииФ клетки, отграничены от цитоплазмы двумя мембранами. Внутренняя образует кристы (складки), увеличивающие ее поверхность. Ферменты на кристах ускоряют реакции окисления органических веществ и синтеза молекул АТФ, богатых энергией;

4) комплекс Гольджи — группа полостей, отграниченных мембраной от цитоплазмы, заполненных белками, жирами и углеводами, которые либо используются в процессах жизнедеятельности, либо удаляются из клетки. На мембранах комплекса осуществляется синтез жиров и углеводов;

5) лизосомы — тельца, заполненные  ферментами, ускоряют реакции расщепления  белков до аминокислот, липидов  до глицерина и жирных -.кислот, полисахаридов до моносахаридов. В лизосомах разрушаются отмершие части клетки, целые и клетки.

Клеточные включения —  скопления запас- иных питательных веществ: белков, жиров и углеводов .

Ядро — наиболее важная часть клетки. Оно покрыто двухмембранной оболочкой с порами, через которые одни вещества проникают в ядро, а Другие поступают в цитоплазму. Хромосомы — основные структуры ядра, носители наследственной информации о признаках организма. Она передается в процессе деления материнской клетки дочерним клеткам, а с половыми клетками — дочерним организмам. Ядро — место синтеза ДНК. иРНК, рРНК.

2 (18). Понятие о сцепленном наследовании. Проведите генетический анализ полного и неполного сцепления.

Сцепленным наследованием называется наследование, при котором признаки локализованы в одной хромосоме  и наследуются совместно.

В 1911 – 1912 годах Т. Морган и сотрудники проверили проявление третьего закона Менделя, проводя опыты  на мухах дрозофилах. Они учитывали  две пары альтернативных признаков: серый и чёрный цвет тела и нормальные и короткие крылья. При скрещивании  гомозиготных особей с такими признаками получили единообразие гибридов первого  поколения – мух с серым  телом и нормальными крыльями. Следовательно, эти признаки  были доминантными. Подтвердился первый закон  Менделя.

 

Р      ААВВ      х      ааbb

G              

 

F₁                   АаВb

 

Далее Морган решил провести анализирующее скрещивание гибридов первого поколения. Он взял рецессивную  гомозиготную самку и скрестил её с дигетерозиготным самцом.

 

Р          aabb      х         AаBb

                                                     

G              

 

 

F₁        АаВb                     aabb

            50 %                      50 %

При свободном комбинировании генов, согласно третьему закону Менделя, в поколении должны были бы появиться  в равном количестве (по 25 %) мухи четырёх  разных фенотипов, а получили два  фенотипа по 50 %. Морган пришёл к выводу, что поскольку у организмов генов  много, а хромосом относительно мало, то, следовательно, каждая хромосома  содержит большое количество генов, и гены, локализованные в одной  хромосоме, передаются вместе, т.е. сцепленно. Цитологические основы этого явления можно пояснить следующей схемой:

                                                                                                                           

  Схема расхождения  хромосом в мейозе при полном  сцеплении.

 

 

 

 

Одна из пары гомологичных хромосом содержит два доминантных гена (А – серое тело, В – нормальные крылья), а другая – два рецессивных (а – чёрное тело, d – короткие крылья). В процессе мейоза одна хромосома со своими генами АВ попадёт в одну гамету, а другая с генами аb – в другую. Таким образом, у дигетерозиготного организма образуется не четыре типа гамет (когда гены расположены в разных хромосомах), а только два и, следовательно, будет получено поколение только с двумя сочетаниями признаков (как у родителей).

Гены, локализованные в одной  хромосоме, обычно передаются вместе и  составляют одну группу сцепления. Так как в гомологичных хромосомах локализованы аллельные гены, то группу сцепления составляют две гомологичные хромосомы и, следовательно, количество групп сцепления соответствует количеству пар хромосом (или гаплоидному числу хромосом). Так, у мухи дрозофилы всего 8 хромосом – 4 группы сцепления, у человека 46 хромосом – 23 группы сцепления, у гороха 14 хромосом  - 7 групп сцепления.

Если гены, локализованные в одной хромосоме, передаются вместе, то такое сцепление называется полным. Однако при дальнейшем анализе сцепления генов было обнаружено, что в некоторых случаях оно может нарушаться. Если дигетерозиготную самку дрозофилы скрестить с рецессивным самцом, результат будет следующий:

 

Р                             AaBb                                х         aаbb

                                                     

                                     

               G              

 

 

F₁             АаВb                                     Aabb       aaBb    aabb

    41,5 %                                   8,5 %      8,5 %   41,5 %

Таким образом, получается 4 типа потомков: 41,5 % особей с серым  телом и длинными крыльями, 41,5 % с  чёрным телом и короткими крыльями и по 8,5 % мух с серым телом  и короткими крыльями и с чёрным телом и длинными крыльями. В этом случае сцепление неполное, т.е. гены, локализованные в одной хромосоме, не всегда передаются вместе. Это связано с явлением кроссинговера.

Кроссинговер (от англ. crossing-over – перекрёст) – это процесс обмена гомологичными участками гомологичных хромосом (хроматид).

Обычно кроссинговер происходит в мейозе I.

При кроссинговере происходит обмен генетическим материалом (аллелями) между хромосомами, и тогда происходит рекомбинация – появление новых сочетаний аллелей, например, AB + ab → Ab + aB.

 

 

 

3 (27).  Структура ДНК по Уотсону и Крику. Видовая специфичность ДНК, правило Чаргаффа. Репликация  ДНК

Начало этой истории можно  принять за шутку. "А мы только что открыли секрет жизни!" –  сказал один из двоих мужчин, вошедших в кембриджский Игл паб (Eagle pub) ровно 50 лет назад – 28 февраля 1953 года. И эти люди, работавшие в лаборатории неподалеку, нисколько не преувеличивали. Одного из них звали Френсис Крик (Francis Crick), а другого – Джеймс Уотсон (James Watson).

Уотсон и Крик открыли  структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – вещества, которое  содержит всю наследственную информацию. Через несколько месяцев после исторического заявления в пабе вышла осторожная публикация работы двух исследователей в журнале Nature (Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids // Nature. 1953. V. 171. P. 738-740). Статья заканчивалась предположением о том, что открытие структуры ДНК может объяснить механизмы копирования генетического материала.

К пятидесятым годам было известно, что ДНК – большая  молекула, которая состоит из тысяч  соединенных между собой в  линию маленьких молекул четырех  разных видов – нуклеотидов. Также  ученые знали, что именно ДНК отвечает за хранение и передачу по наследству генетической информации, похожей на текст, написанный алфавитом из четырех  букв. Неизвестными оставались пространственная структура этой молекулы и механизмы, по которым ДНК передается по наследству от клетки к клетке и от организма  к организму.

В 1948 году Лайнус Полинг (Linus Pauling) открыл пространственную структуру других макромолекул – белков. Прикованный нефритом к постели Полинг несколько часов складывал бумагу, которой он пытался смоделировать конфигурацию белковой молекулы, и создал модель структуры, названной "альфа-спиралью".

По словам Уотсона, после  этого открытия в их лаборатории  была популярна гипотеза о спиральном строении ДНК. Уотсон и Крик сотрудничали с ведущими специалистами по рентгеноструктурному анализу, а Крик умел практически  безошибочно обнаруживать признаки спирали на снимках, полученных таким  способом.

Полинг тоже считал, что ДНК – спираль, причем, состоящая из трех нитей. Однако, он не мог объяснить ни природы такой структуры, ни механизмы самоудвоения ДНК для передачи дочерним клеткам.

Открытие двуспиральной  структуры произошло после того, как Морис Уилкинс (Maurice Wilkins) тайно показал Уотсону и Крику рентгеновский снимок молекулы ДНК, сделанный его сотрудницей Розалинд Франклин (Rosalind Franklin). На этом снимке они четко узнали признаки спирали и направились в лабораторию, чтобы проверить все на объемной модели.

В лаборатории выяснилось, что мастерская не поставила необходимые  для стереомодели металлические пластины, и Уотсон вырезал из картона четыре вида макетов нуклеотидов – гуанина (G), цитозина (C), тимина (T) и аденина (A) – и стал раскладывать их на столе. И тут он обнаружил, что аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином по принципу "ключ-замок". Именно таким образом соединяются между собой две нити спирали ДНК, то есть напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой, и ничто иное.