Какое значение для клетки имеет процесс редупликации (самоудвоения) ДНК? Из чего состоят хромосомы клетки? На какие два периода подразделяют жизненный цикл клетки? Какой признак живого обеспечивается делением клетки?
Непрерывность жизни на Земле обеспечивается клеточным делением. С момента образования и до деления в клетке происходят ряд событий, обеспечивающих ее рост, развитие и размножение. Период жизни клетки от момента ее возникновения в результате деления до следующего деления или смерти называют клеточным циклом, или жизненным циклом клетки (рис. 54).
Рис. 54. Клеточный цикл и его периоды: 1 - интерфаза: 2 — деление клетки (митоз)
Интерфаза. Интерфаза (от лат. inter-между и греч. phasis - появление) - это период в жизненном цикле клетки между двумя последовательными делениями. Интерфаза характеризуется активными процессами обмена веществ в клетке, биосинтезом белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, увеличением количества всех клеточных органоидов, ростом и увеличением объема цитоплазмы. Наиболее важное событие интерфазы - синтез ДНК. Удвоение многих компонентов клетки не требует точности. Они при делении распределяются более или менее равномерно между двумя дочерними клетками. Исключением являются молекулы ДНК: они должны удвоиться и поровну распределиться между образующимися клетками. Иначе новые клетки не станут точными копиями материнской клетки.
Рис. 55. Схема процесса редупликации ДНК
Синтез ДНК. Процесс самоудвоения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование генетической информации, называют редупликацией (репликацией). В ее основе лежит полуконсервативный синтез. Каждая цепь молекулы ДНК служит матрицей для синтеза соответствующей недостающей цепи. Новые молекулы ДНК содержат одну новую и одну исходную цепь ДНК.
Редупликация начинается с раскручивания и разъединения фрагмента двойной спирали ДНК с одного конца (рис. 55). Специальные белки раскручивают спираль и расплетают двойную цепь, предотвращают повторное их соединение. По принципу комплементарности на каждой из цепей ДНК выстраиваются нуклеотиды. Фермент ДНК-полимераза, передвигаясь по каждой из цепей, соединяет между собой нуклеотиды.
После синтеза фрагмента белки раскручивают цепь дальше, и синтез продолжается. Весь процесс репликации обеспечивается энергией за счет расщепления АТФ. После окончания синтеза две дочерние молекулы ДНК расходятся, спирализуются и приобретают соответствующую структуру. Таким образом, каждая из вновь синтезированных молекул ДНК состоит из одной новой и одной исходной цепи.
Копирование ДНК происходит с высокой точностью. В среднем на каждые 1-109 комплементарных пар нуклеотидов, образующихся в ходе репликации, приходится одна ошибка. Эти ошибки устраняются особыми белками, распознающими и удаляющими неправильные нуклеотиды. Точность копирования обеспечивает правильность передачи наследственной информации.
К концу интерфазы удваиваются центриоли в клеточном центре. Интерфаза заканчивается, и клетка вступает в следующий период клеточного цикла - в стадию митоза. Продолжительность интерфазы зависит от типа клеток и в среднем составляет не менее 90% от общего времени клеточного цикла.
Хромосомы и хромосомный набор клетки. Важная роль в клетке принадлежит хромосомам (от греч. chroma - цвет и soma - тело) - комплексам молекул ДНК и белков. Большинство хромосом в интерфазе находятся в виде тонких нитей, что делает их невидимыми. После репликации каждая хромосома состоит из двух молекул ДНК, которые спирализируются, соединяются с белками и приобретают четкие формы. Две дочерние молекулы ДНК упаковываются порознь и образуют сестринские хроматиды, которые соединяются центромерой. Сестринские хроматиды вместе образуют одну хромосому (рис. 56).
Рис. 56. Схема строения хромосомы после редупликации ДНК: 1 — центромера; 2 — плечи хромосомы; 3 — сестринские хроматиды: 4 — молекула ДНК; 5 - белок
Изучать форму и размеры хромосом, установить их число в клетке можно только во время деления, когда они максимально спирализованы, плотно упакованы, хорошо окрашиваются и видны с помощью светового и электронного микроскопа (рис. 57).
Рис. 57. Электронная микрофотография хромосом
Совокупность всех хромосом клетки или организма называют кариотипом (от греч. karyon - ядро и typos - форма), или хромосомным набором. Так, кариотип человека представлен 46 хромосомами, плодовой мушки дрозофилы - 8, одного из видов пшеницы - 28 хромосомами (рис. 58).
В клетках может содержаться одинарный и удвоенный наборы хромосом. Одинарный набор хромосом называют гаплоидным. В некоторых клетках или организмах имеется только такой набор. Например, у зеленых водорослей и мхов набор хромосом гаплоидный. Но у большинства растений и животных набор хромосом в клетках диплоидный.
Рис. 58. Хромосомный набор (кариотип) пшеницы (1), дрозофилы (2), человека (3)
Удвоенный или диплоидный набор хромосом характеризуется наличием парных хромосом, одинаковых по величине, форме и характеру содержащейся в них наследственной информации. Парные хромосомы называют гомологичными. Их центромеры находятся в одних и тех же местах, а гены расположены в одинаковой последовательности. Так, все соматические клетки человека содержат 23 пары хромосом, т. е. 46 хромосом представлены в виде 23 пар. У дрозофилы 8 хромосом образуют 4 пары. Парные гомологичные хромосомы внешне очень похожи. В отличие от соматических клеток, набор хромосом в половых клетках у организмов всегда гаплоидный.
Хромосомный набор принято обозначать латинской буквой n. Диплоидный набор соответственно обозначается 2n, а гаплоидный - n.
Митоз. Способность к делению - важнейшее свойство клетки. В результате деления из одной исходной клетки возникают новые клетки. Наиболее распространенный способ деления клетки - митоз (от греч. mitos - нить), или непрямое деление. В результате его образуются две дочерние клетки с таким же набором хромосом, как и у материнской клетки.
Митоз состоит из четырех последовательных стадий, обеспечивающих распределение генетической информации между дочерними клетками (табл. 8). Перед началом деления каждая хромосома состоит из двух молекул ДНК, образовавшихся в результате редупликации. Хромосомы составляют две сестринские хроматиды. Таким образом, перед началом деления в диплоидной клетке число хромосом составляет 2n, а количество молекул ДНК в два раза больше - 4с.
Биологический смысл митоза заключается в поддержании постоянства числа хромосом и идентичности наследственной информации образующихся дочерних клеток и исходной материнской клетки.
Таблица 8
Митоз
Митоз обеспечивает также процессы роста отдельных органов и всего организма, так как в результате его происходит увеличение количества клеток.
Рис. 59. Амитоз клеток хрящевой ткани
Амитоз. Иногда встречается и другой тип деления клетки - амитоз. Амитоз, или прямое деление ядра клетки, происходит без образования хромосом и веретена деления. Ядро при амитозе перешнуровывается перетяжкой, поэтому равноценного распределения генетической информации между дочерними клетками не происходит. В клетке образуется два ядра, а иногда возникают многоядерные клетки. Прямым делением размножаются клетки специализированных тканей многоклеточных организмов, например, роговицы глаза и хрящей (рис. 59). Такое деление встречается у аномальных (раковых) клеток.
Клеточный цикл (жизненный цикл клетки): интерфаза и деление; редупликация (репликация ) ДНК ; хромосомы, кариотип (хромосомный набор): одинарный (гаплоидный), удвоенный (диплоидный); митоз (непрямое деление), амитоз (прямое деление).
1. Назовите основные периоды клеточного цикла. 2. Какое основное событие происходит в интерфазе? 3. Почему синтез ДНК называют полуконсервативным? 4. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепи ДНК, если первая цепь имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦТТААЦАЦЦГГГЦАТТЦЦГГГЦААТТГ. 5. В кариотипе кроликов насчитывается 44 хромосомы. Сколько хромосом находится у кроликов в соматических и сколько в половых клетках? 6. Охарактеризуйте основные процессы, происходящие в клетке при митозе. Какие структуры в клетке обеспечивают равномерное расхождение хромосом в митозе? 7. Чем амитоз отличается от митоза? Приведите примеры клеток, делящихся амитозом.
Рассмотрите с помощью микроскопа готовый микропрепарат «Митоз в корешке лука». Найдите на нем неделящиеся клетки и клетки на разных стадиях митоза. Каких клеток больше? Объясните, почему. Результаты работы оформите в виде таблицы (в тетради).
Митоз
