Клетка - генетическая единица живого

Несмотря на то, что нуклеиновые кислоты являются носителем генетической информации, реализация этой информации невозможна вне клетки, что легко доказывается на примере вирусов. Данные организмы не могут самостоятельно воспроизводиться, для этого они должны использовать наследственный аппарат клетки. Следовательно, клетка является генетической единицей живого, обладающей минимальным набором компонентов для хранения, изменения и реализации наследственной информации, а также её передачи потомкам.

 

Хромосомы, их строение и функции

Хромосома - это структура клеточного ядра, которая содержит гены и несёт наследственную информацию о признаках и свойствах организма.

Хромосомы способны к самоудвоению, они обладают структурной и функциональной индивидуальностью и сохраняют её в ряду поколений.

Основой хромосомы является двухцепочечная молекула ДНК, упакованная с белками. У эукариот с ДНК взаимодействуют гистоновые и негистоновые белки, а у прокариот гистоновых белков нет.

Лучше всего хромосомы видны в процессе деления клетки, когда они в результате уплотнения приобретают вид палочковидных телец, разделенных первичной перетяжкой - центромерой на плечи. На хромосоме может быть также и 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.

По форме различают равноплечие, неравноплечие и палочковидные хромосомы. Размеры хромосом существенно варьируют, однако, средняя хромосома имеет размеры 5х1,4 мкм.

 

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 организма каждого биологического вида характерно постоянное количество хромосом. Например, у человека их 46. Набор хромосом соматических клеток, в котором все хромосомы парные, называют диплоидным (2n), или двойным. Хромосомы одной пары называются гомологичными.

Половые клетки, или гаметы, - это специализированные клетки, служащие для полового размножения. В гаметах содержится вдвое меньше хромосом, чем в соматических клетках (у человека - 23). Набор хромосом половых клеток называется гаплоидным (n), или одинарным, так как все хромосомы в нем непарные. Его образование связано с мейотическим делением клетки.

Количество ДНК соматических клеток обозначается как 2 с, а половых 1с. Генетическая формула соматических клеток записывается как 2n2c, а половых - 1n1c. 

Количество хромосом в некоторых соматических клетках может быть больше двух гаплоидных наборов. Такие клетки называются полиплоидными, например, три-, тетра-, пентаплоидные. В таких клетках процессы метаболизма протекают, как правило, очень интенсивно.

Хромосомы человека делятся на две группы: аутосомы и половые хромосомы (гетерохромосомы). Аутосом в соматических клетках может насчитываться 22 пары, они одинаковы для мужчин и для женщин, а половых хромосом только одна пара, но именно она определяет генетический пол особи. Существует два вида половых хромосом - Х и У. Клетки тела женщины несут по две Х-хромосомы, а мужчин - Х и У.

Кариотип - это совокупность признаков хромосомного набора организма (число хромосом, их форма и величина).

Условная запись кариотипа включает общее количество хромосом, половые хромосомы и возможные отклонения в наборе хромосом. Например, кариотип нормального мужчины записывается как 44А+ХУ (или 46, ХУ), а женщины - 44А+ХХ (46, ХХ).

 

Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз

Клетки не возникают каждый раз заново, они образуются только в результате деления материнских клеток. Промежуток времени от появления клетки в результате деления до её разделения или гибели называется жизненным циклом клетки.

У эукариотических клеток жизненный цикл делится на две основные стадии: интерфазу и митоз.

Интерфаза - это промежуток времени в жизненом цикле, в который клетка не делится и нормально функционирует. Интерфаза включает три периода: G1-, S-, G2-периоды.

G1-приод (пресинтетический, постмитотичский) - это период роста и развития клетки, в который происходит активный синтез РНК, белков и других веществ, необходимых для полного жизнеобеспечения вновь образовавшейся клетки.

В S-периоде (синтетическом) происходит процесс репликации 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 разделеием центриолей, митохондрий и пластид. До конца интерфазы хроматин и ядрышко остаются хорошо различимыми, целостность ядерной оболочки не нарушается.

Некоторые клетки со временем перестают делиться и погибают, что может быть связано с завершением выполнения определенных функций, как в случае клеток эпидермиса кожи и клеток крови, или с повреждением этих клеток факторами окружающей среды, в частности возбудителями болезней.

 

Митоз - деление соматических клеток

Фазы митоза

Митоз - способ непрямого деления соматических клеток.

Во время митоза клетка проходит ряд последовательных фаз, в результате которых дочерние клетки получают такой же набор хромосом, как и в материнской клетке. Выделяют четыре основные фазы митоза: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Профаза - наиболее длительная стадия митоза, в процессе которой происходит конденсация хроматина, в результате чего становятся видны Х-образные хромосомы, состоящие из двух хроматид (дочерних хромосом). При этом исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки и начинает формироваться ахроматиновое веретено (веретено деления) из микротрубочек. В конце профазы ядерная оболочка распадается на отдельные пузырьки.

В метафазе хромосомы выстраиваются по экватору клетки своими центромерами, к которым прикрепляются микротрубочки полностью сформированного веретена деления. На этой стадии деления хромосомы наиболее уплотнены и имеют характерную форму, что позволяет изучить кариотип.

В анафазу центромеры хромосомы расщепляются и хроматиды расходятся к полюсам клетки, растягиваемые микротрубочками.

На стадии телофазы дочерние хромосомы собираются на полюсах, деспирализуются, вокруг них из пузырьков формируются ядерные оболочки, а во вновь образовавшихся ядрах возникают ядрышки.

После деления ядра происходит деление цитоплазмы - цитокинез, в ходе которого происходит более или менее равномерное распределение всех органоидов материнской клетки.

Таким образом, в результате митоза из одной материнской клетки образуется две дочерние, каждая из которых является генетической копией материнской (2n2c).

 

Мейоз. Фазы мейоза

Мейоз - это способ непрямого деления предшественников половых клеток (2n), в результате которого образуются гаплоидные клетки (1n), чаще всего половые.

В отличие от митоза мейоз состоит из двух последовательных делений клетки, каждому из которых предшествует интерфаза. Первое деление мейоза (мейоз 1) называется редукционным, так как количество хромосом уменьшается вдвое, а второе деление (мейоз 2) - эквационным, так как в его процессе количество хромосом сохраняется.

Интерфаза 1 протекает подобно интерфазе митоза. Мейоз 1 делится на четыре фазы: профазу 1, метафазу 1, анафазу 1 и телофазу 1.

В профазе 1 происходят два важнейших процесса - конъюгация и кроссинговер.

Конъюгация - это процесс слияния гомологичных (парных) хромосом. Образовавшиеся пары хромосом сохраняются до конца метафазы 1. Кроссинговер - взаимный обмен гомологичными участками гомологичных хромосом. В результате кроссинговера хромосомы, полученные организмом от родителей, приобретают новые комбинации генов, что обсловливает появление генетически разнообразного потомства. В конце профазы 1, как и в профазе митоза, исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки, а ядерная оболочка распадается.

В метафазе 1 пары хромосом выстраиваются по экватору клетки, к их центромерам прикрепляются микротрубочки веретена деления.

В анафазе 1 к полюсам расходятся целые гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид. 

В телофазе 1 вокруг скоплений хромосом у полюсов клетки образуются ядерные оболочки, формируются ядрышки.

Цитокинез 1 обеспечивает разделение цитоплазм дочерних клеток.

Образовавшиеся в результате мейоза 1 дочерние клетки (1n2c) генетически разнородны, поскольку их хромосомы, случайным образом разошедшиеся к полюсам клетки, содержат неодинаковые гены.

Интерфаза 2 очень короткая, так как в ней не происходит удвоения ДНК, то есть отсутствует S-период.

Мейоз 2 также делится на четыре фазы: профазу 2, метафазу 2, анафазу 2 и телофазу 2. В профазе 2 протекают те же процессы, что и в профазе 1, за исключением конъюгации и кроссинговера.

В метафазе 2 хромосомы располагаются вдоль экватора клетки.

В анафазе 2 хромосомы расщепляются в центромерах и к полюсам растягиваются уже хроматиды.

В телофазе 2 вокруг скоплений дочерних хромосом формируются ядерные оболочки и ядрышки.

После цитокинеза 2 генетическая формула всех четырех дочерних клеток - 1n1c, однако, все они имеют различный набор генов, что является результатом кроссинговера и случайного сочетания хромосом материнского и отцовского организмов в дочерних клетках.

 

Развитие половых клеток у растений и животных

Гаметогенез  - это процесс образование зрелых половых хромосом.

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, то есть формирование микроспор в пыльниках тычинок. Этот процесс связан с мейотическим делением материнской клетки, в результате которого возникают четыре гаплоидные микроспоры. Микрогаметогенез сопряжен с митотическим делением микроспоры, дающим мужской гаметофит из двух клеток - крупной вегетативной и мелкой генеративной. После деления мужской гаметофит покрывается плотными оболочками и образует пыльцевое зерно. В некоторых случаях еще в процессе созревания пыльцы, а иногда только после переноса на рыльце пестика 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 формируются четыре мегаспоры. Одна из мегаспор триждыделится митотически, давая женский гаметофит - зародышевый мешок с восемью 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.

Сперматогенез - это процесс образования зрелых мужских половых клеток - сперматозоидов. У человека он протекает в семенниках, или яичках, и делится на четыре периода: размножение, рост, созревание, формирование.

В период размножения первичные половые клетки делятся митотически, вследствие чего образуются диплоидные сперматогонии. В период роста сперматогонии накапливают питательные вещества в цитоплазме, увеличиваются в размерах и превращаются в первичные сперматоциты, или сперматоциты 1-го порядка. Лишь после этого они вступают в мейоз (период созревания), в результате которого образуется сначала два вторичных сперматоцита, или сперматоцита 2-го порядка, а затем четыре гаплоидных клетки с еще достаточно большим количество цитоплазмы - 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 кроме ядра находится акросома - видоизмененный комплекс Гольджи, обеспечивающий растворение оболочек яйцеклетки в процессе оплодотворения. В шейке находятся центриоли клеточного центра, а основу хвостика образуют микротрубочки, непосредственно обеспечивающие движение сперматозоида. В его основании также расположены 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 и созревания. Периоды размножения и роста, аналогичные таковым в сперматогенезе, происходят еще во время внутриутробного развития. При этом из первичных половых клеток в результате митоза образуются диплоидные оогонии, которые превращаются затем в диплоидные первичные ооциты, или ооциты 1-го порядка. Мейоз и последующий цитокинез, протекающие в период созревания, характеризуются неравномерностью деления цитоплазмы материнской клетки, так что в итоге сначала получается один вторичный ооцит, или ооцит 2-го порядка, и первое полярное тельце, а затем из вторичного ооцита - яйцеклетка, сохраняющая весь запас питательных веществ, и второе полярное тельце, тогда как первое полярное тельце делится на два. Полярные тельца забирают избыток генетического материала.

У человека яйцеклетки вырабатываются с промежутком 28-29 суток. Цикл, связанный с созреванием и выходом яйцеклеток называется менструальным.

Яйцеклетка - крупная женская половая клетка, которая несет не только гаплоидный набор хромосом, но и значительный запас питательных веществ для последующего развития зародыша. Яйцеклетка у млекопитающих покрыта четырьмя оболочками, снижающими вероятность ее повреждениями различными факторами.

 

Деление клетки - основа роста, развития и размножения организмов

Роль митоза и мейоза

Если у одноклеточных организмов деление клетки приводит к увеличению количества особей, то есть размножению, то у многоклеточных этот процесс может иметь различное значение. Так, деление клеток зародыша, начиная с зиготы, является биологической основой взаимосвязанных процессов роста и развития.

В результате митоза происходит равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками. Без митоза было бы невозможным существование и рост многоклеточных организмов, развивающихся из единственной клетки - зиготы. В процессе деления дочерние клетки становятся все более разнообразными по строению и выполняемым функциям, что связано с активацией у них одних генов и репрессией других в процессе дифференцировки. Таким образом, митоз необходим для развития организма.

Этот способ деления клеток необходим для процессов бесполого размножения и регенерации (восстановления) поврежденных тканей, а также органов.

Мейоз обеспечивает постоянство кариотипа при половом размножении, так как уменьшает вдвое набор хромосом перед половым размножением, который восстанавливается в результате оплодотворения. Кроме того, мейоз приводит к появлению новых комбинаций родительских генов благодаря кроссинговеру и случайному сочетанию хромосом в дочерних клетках. Это способствует генетическому разнообразию потомства и даёт материал для естественного отбора.

 

 

 

 

 

ЕГЭ. Биология: пошаговая подготовка / Ю.А. Садовниченко. - Москва: Эксмо, 2018. - 368 с.