5176

Концепции клеточного строения и функционирования живой материи

Шпаргалка

Биология и генетика

Концепции клеточного строения и функционирования живой материи I. История открытия клеточного строения живых организмов Все живые организмы построены из клеток. Одноклеточные организмы (бактерии, простейшие, многие водоросли и грибы) состоят из одно...

Русский

2012-12-04

699 KB

40 чел.

Концепции клеточного строения и функционирования живой материи

I. История открытия клеточного строения живых организмов

Все живые организмы построены из клеток. Одноклеточные организмы (бактерии, простейшие, многие водоросли и грибы) состоят из одной клетки, многоклеточные (большинство растений и животных) – обычно из них многих тысяч клеток.

XVII век – открытие клетки

1665 г. — английский естествоиспытатель Роберт  Гук  (1635 – 1703) в работе «Микрография» описывает строение пробки, на тонких срезах которой он нашёл правильно расположенные пустоты. Эти пустоты Гук назвал «порами, или клетками». Наличие подобной структуры было известно ему и в некоторых других частях растений.

1671 г. — итальянский медик и ботаник Марчелло  Мальпиги (1628 - 1694) и английский натуралист (ботаник) Неемия  Грю (1641 – 1712) описали в разных органах растений «мешочки, или пузырьки» и сформулировали Первую пенисто-ячеистую клеточную теорию: «Как пена состоит из пузырьков, так и ткань состоит из пузырьков-клеток. Клетки разделены между собой общими перегородками и поэтому не могут быть мыслимы вне ткани, вне организма». Клетка рассматривалась как элемент, как составная часть ткани.

1673 - 1683 гг. – голландский микроскопист Антони ван Левенгук (1632 – 1723) первым открыл мир одноклеточных организмов (апниманкули): в 1674 - описал эритроциты; в 1675 - описал одноклеточные организмы – протистов; в  1681 – описал инфузорий; в 1677 – описал сперматозоиды позвоночных животных; в 1683 – описал бактерий.

XVIII век - первые попытки сопоставления микроструктуры клеток растений и животных.

1759 г. -  русский ученый (основатель эмбриологии и учения об эпигенезе) Каспар Фридрих Вольф (1734-1794 гг.) изучая рост растений, установил, что клетка есть единица роста, то есть рост организмов сводится к образованию новых клеток.

XIX век (первая четверть) - углубляются представления о внутреннем строении клеток, что связано с существенными улучшениями в конструкции микроскопа.

1807 г. – немецкие естествоиспытатели  Линк и Молднхоуэр устанавливают наличие у растительных клеток самостоятельных стенок. Выясняется, что клетка есть некая морфологически обособленная структура.

1830 г. немецкий ботаник - Франц Юлиус Фердинанд Мейен (1804 – 1840) описывает клетки одноклеточных водорослей и грибов.

1831 г. - английский ботаник  Роберт Броун  (1773 – 1858) описывает ядро растительной клетки и высказывает предположение, что оно является ее постоянной составной частью.

1831 г. немецкий естествоиспытатель (один из основоположников эмбриологии и сравнительной анатомии) Карл Бэр (1792 1876) – открывает ядро в половых клетках.

1837 г. - чешский физиолог Ян Пуркинье (1787-1869) открыл ядро в животных клетках и ввел понятие протоплазмы.

1837 - 1839 г.г. – немецкий ботаник Теодор Шванн (1810 – 1882)

                            и немецкий зоолог Матиас Шлейден (1804 – 1881):

-обобщив имеющиеся знания о клетке

- доказали, что клетка является основной единицей любого организма

- доказали, что клетки животных, растений и бактерии имеют схожее строение

- сформулировали единую Клеточную теорию:

 «Клетки, содержащие ядра, представляют структурную и функциональную основу всех живых существ»

- ввели в науку основополагающее представление о клетке: «Вне клеток нет жизни».

XIX век (вторая половина)  -  учение о клетке оказывается в центре внимания всей биологии и бурно развивается, превратившись в самостоятельную отрасль науки — цитологию.

1841 г. …… Ремарк открывает деление тканевых клеток у животных

1845 г.Карл Бэр (1792 1876) описал процесс деления ядер при дроблении яиц у морских ежей и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки. Это открытие показало, что клетка  не только единица строения, но и единица развития всех живых организмов.

1855 г. – немецкий медик – патолог Рудольф Вирхов (1824 – 1092)

- дополнил Клеточную теорию положением:

-  «Всякая клетка происходит только от клетки», а  в 1858 г. уточнил, что

-  « Развитие клеток осуществляется путем деления исходной клетки».

1866 г. —  немецкий зоолог- эволюционист Эрнст Геккель (1834—1919) описал роль ядра, как хранилища наследственной информации. 

1875 г. польским ботаник Э. Страсбургер описал хромосомы, в 1876 г. открыл деление клеток у растений — митоз, а в 1882 г. описал отдельные фазы мейоза у растений.

1882 немецкий учёный Вольф  Флемминг описал отдельные фазы мейоза у животных

ХХ век   - была доказана ведущая роль хромосом в хранении, воспроизведении и передаче наследственной информации

Современная клеточная теория включает следующие основные положения:

1 Клетка — элементарная единица живого, основная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов.

2 Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов имеют общее происхождение и сходны по своему строению и химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.

3 Размножение клеток происходит путём их деления. Новые клетки всегда возникают из предшествующих клеток.

4 Клетка- это единица развития живого организма.

II. Разнообразие клеток и способы их деления

Клетка – элементарная биологическая система, способная к самообновлению, самовоспроизведению и развитию.

Клетка обладает всеми свойствами живой системы:

- она осуществляет обмен веществом и энергией,

- растет, размножается и передает по наследству свои признаки,

- реагирует на внешние сигналы (раздражители), способна передвигаться.

Существуют две ступени организации клетки

Прокариотические клетки

Эукариотические клетки

- нет обособленного ядра

- есть обособленное ядро

- ДНК свободно плавает в цитоплазме

- ДНК располагается в ядре

- отсутствует клеточный центр

- есть клеточный цетр

- отсутствует развитая система мембран

- система мембран хорошо развита

(у прокариот – бактерий и синезеленых водорослей, в большинстве своем одноклеточных)

(у эукариот, т. е. всех остальных одно– и многоклеточных организмов – растений, грибов и животных).

Основные формы эукариотических клеток

     

Способы деления клеток эукариот

Митоз                                                                                        Мейоз

способ деления при котором каждая дочерняя клетка получает то же число (и тот же набор) хромосом, что и материнская. Митозом могут делиться гаплоидные: n → n,, и диплоидные 2n → 2n клетки.

способ деления клеток при котором каждая дочерняя клетка получает в 2 раза меньшее число хромосом, чем материнская. При мейозе из диплоидных клеток получаются гаплоидные: 2n → n

Неклеточные образования (вирусы) – очень мелкие частицы (вирионы), состоящие из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК, одно– или двуцепочечной, служащей генетическим материалом) и белковой оболочки, иногда содержащей липиды.

Вирусы видоспецифичны и размножаются только в живых клетках-хозяевах. Существуют бактериальные вирусы (фаги), вирусы растений и вирусы животных. Вне клетки-хозяина вирионы не осуществляют обмена веществ и не проявляют никаких других признаков жизни.

III. Химический и молекулярный состав клеток

В состав организмов входит более половины элементов Периодической Системы Химических Элементов Д.И.Менделеева, из них 24 являются обязательными и присутствуют во всех типах клеток. Процентное содержание химических элементов в разных клетках – разное.

Химические элементы клеток

Макроэлементы

(составляют около 98% массы клетки)

Микроэлементы 

(от 0,001 до 0,000001 %)

Ультрамикроэлементы (< 0,000001 %)

Биогенные

Другие

Золото и серебро -оказывают бактерицидное воздействие;

Ртуть - подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты

Платина и цезий - являются очень активными катализаторами многих химических реакций

входят в состав клеток организма в виде ионов или в составе соединений – молекул органических и неорганических веществ.

Углерод (15—18 %)

Водород (8—10 %)

Азот (2,0—3,0 %)

Кислород (65—75 %)

Фосфор (0,2—1,0 %)

Сера (0,15—0,2 %)

Из них  преимущественно построены такие органические вещества, как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.

 Калий (0,15-0,4 %) – участвует в генерации нервного импульса и регуляции сокращения сердечной мышцы.

 Хлор (0,05-0,1 %) - поддерживает электронейтральность клетки

 Магний(0,02-0,03 %) - необходим для функционирования мышечных и костных систем

 Натрий (0,02-0,03 %) – участвует в процессах осморегуляции и создании буферной системы крови.

 Кальций (0,04-2,00 %) - участвует в свёртывании крови,

 Железо (0,01-0,015 %)

- участвует в процесссе переноса кислорода

Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении

Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов

Иод - входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы

Фтор – входит в состав зубной эмали

Цинк – участвует в синтезе инсулина щитовидной железы

 Кобальт -  участвует в синтезе витамина В12

А также: ванадий, германий, марганец, никель, рутений, селен, хром, и др.

Наиболее резкие различия между живой и неживой природой проявляются на молекулярном уровне.

Молекулярный состав клеток

Неорганические

Органические

Вода
Минеральные соли

70—80 %
1,0—1,5 %

Белки
Углеводы
Жиры
Нуклеиновые кислоты
АТФ и др. вещества

10—20 %
0,2—2,0 %
1—5 %
1,0—2,0 %
0,1—0,5 %

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) - выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

Функции белков: 

1. Строительная (структурная) - участвуют в образовании клеточных структур (белки входят в состав хромосом и всех клеточных мембран).

2. Ферментативная – обеспечивает ускорение или замедление биохимических реакций в организме.

3. Транспортная (гемоглобин – перенос O2 и CO2).

4. Энергетическая – при расщеплении 1г белка выделяется 17,6 кДж.

5. Защитная – выработка антител, белков, обезвреживающих антигены (чужеродные белки внедрившиеся в организм).

6. Двигательная – специальные сократительные белки обеспечивают все виды движений клеток и организмов (сокращение мускулатуры, движение растений, хромосом при делении и т.д.). В клетках насчитывают до 1000 разных белков.

Функции жиров:

1. Запасающая - при полном окислении 1 г жира (до углекислого газа и воды) выделяется около 9 ккал энергии. При окислении жира выделяется так называемая «метаболическая» вода, так что запасы жира отчасти служат и запасами воды.

2. Уменьшение средней плотности тела (жир случит «поплавком»)

3. Теплоизоляция (у теплокровных)

4. Механическая защита— толстый подкожный слой жира  довольно надежная защита внутренних органов от механических повреждений при ударах.

Функции углеводов:

1.Структурная -  участвуют в построении различных клеточных структур (например, клеточных стенок растений.

2. Защитная -  у растений (клеточные стенки, состоящие из клеточных стенок мертвых клеток защитные образования - шипы, колючки и др.).

3. Пластическая - хранятся в виде запаса питательных веществ, а также входят в состав сложных молекул (например, пентозы (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК.

4. Энергетическая - при окислении 1 г.  углеводов выделяются 4,1 ккал энергии и 0,4 г воды.

5. Осморегуляторная - от концентрации глюкозы зависит осмотическое давление крови.

6. Рецепторная - многие олигосахариды входят в состав воспринимающей части клеточных рецепторов или молекул-лигандов

Фотосинтез процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий).

В целом, химический баланс фотосинтеза может быть представлен в виде простого уравнения:  6CO2 + 6H2O =  C6H12O6 + 6O2

                           

Фотосинтез включает: световую фазу – (реакция фотолиза и выделение кислорода)

                                     теневую фазу – (формирование углеводов – глюкозы)

Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения.  


Строение клетки

Мембрана

Цитоплазма

Ядро

- состоит из двойного слоя фосфолипидов и белков, пронизывающих этот слой

- органическая масса, расположенная между цитоплазматической мембраной и оболочкой ядра. Заполнена нитями клеточного матрикса, которые определяют форму клетки

один из основополагающих компонентов клетки, так как оно является носителем наследственных признаков и влияет на размножение и передачу биологической наследственности

Функции:

1. Отграничительная - обеспечивает целостность клетки, не давая её содержимому смешаться с окружающей средой или межклеточной жидкостью.

2. Транспортная - избирательная проницаемость.

3. Рецепторная - обеспечивает восприятие сигналов из внешней среды, их передачу в клетку и запуск ответной реакции.

4. Образование межклеточных контактов

5. Пиноцитоз - активное поглощение жидкости из окружающей среды

6. Фагоцитоз - процесс активного захватывания и поглощения твердых частиц

гиалоплазма

органоиды

включения

ядерный сок

хроматин

ядрышко

- вязкая жидкость, состоящую из большого количества воды и содержащая белки, моносахариды и жиры в растворенном виде.

- постоянные клеточные структуры, обеспечивающие выполнение специфических функций в процессе жизнедеятельности клтки

отложения веществ, временно выведенных из обмена или конечных его продуктов

(капли жира, глыбки гликогена, желток в яйцах, крахмальне зёрна и липидные капли)

- кариоплазма (содержит различные ферменты, нуклеотиды, аминокислоты и другие вещества, необходимые для обеспечения синтеза нуклеиновых кислот).

это вещество хромосом  — комплекс ДНК, РНК и белков

- плотное округлое тельце лишенное мембранной оболочки и погруженное в ядерный сок.

Функции:

1.  Синтез рРНК

2. Сборка рибосомных субчастиц

мембранные

немембранные

ЭПС - обеспечивает транспорт веществ между органоидами клетки, служит копилкой веществ и местом их изоляции.

АГ - модификация, накопление и сортировка различных веществ, синтез лизосом.

Лизосомы -  переваривание веществ, поступающих в цитоплазму.

Митохондрии – синтез АТФ

Пластиды – участие в фотосинтезе

Рибосомы – участие в синтезе белка.

Клеточный центр - определяет полюса делящейся клетки

Цитоскелет – поддерживает форму клетки, подавляет внутри клетки броуновское движение частиц и обеспечивает направленные перемещения самих клеток и клеточных органоидов.

Жгутики – органоиды движения

Реснички– органоиды движения


Типы клеток

Животная клетка


Тема 20. Концепция биологической информации

и самовоспроизведения жизни

I. Белки, их строение, свойства и  функции

Ф. Энгельс: «Жизнь – это свойство существования белковых тел»

Слово «протеин» (белок) происходит от греческого слова «протейос», что означает «занимающий первое место».

Белки составляют основу жизни на Земле. Они составляют около 50% сухого веса тела всех организмов. Около 30% всех белков человеческого тела находится в мышцах, около 20% — в костях и сухожилиях и около 10% — в коже. В организме человека насчитывается до 5 млн. различных видов белков. Все они построены из 20 аминокислот.

Белки - это высокомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из аминокислот, соединенных пептидной (или ковалентной) связью (-CО-NН).

Мономер белка — аминокислота.

слева - аминогруппа и справа - карбоксильная группа

R — радикал (группа атомов, различная у разных

аминокислот)

Белки

                                  Протеины                                                    Протеиды

                                 (простые)                                                       (сложные)

1. Альбумины -  хорошо растворяются в воде. Встречаются в молоке, яичном белке и крови.

2. Глобулины - в воде не растворяются, но растворимы в разбавленных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин.

3. Глутелины - растворяются только в разбавленных растворах щелочей. Встречаются в растениях.

4. Склеропротеины — нерастворимые белки. К ним относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей коллаген, белок натурального шелка фиброин.

1. Фосфопротеиды - содержат молекулы фосфорной кислоты. К ним относится вителлин — белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин.

2. Гликопротеиды - содержат остатки углеводов. Они входят в состав хрящей, рогов, слюны

3. Хромопротеиды - содержат молекулу типа порфина. Самым важным является гемоглобин.

4. Нуклеопротеиды — протеины, связанные с нуклеиновыми кислотами. Являются важнейшей составной частью вирусов — возбудителей многих болезней.

- при соединении двух аминокислот в одну молекулу образуются дипептид

- при соединении трех аминокислот в одну молекулу образуются трипептид

- соединение более 20 аминокислот в одну молекулу называется полипептидом

- полипептиды, соединяясь, образуют сложную молекулу белка.

Белки длиной от 2 до нескольких десятков аминокислотных остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации — белками, хотя это деление весьма условно.

Выделяют четыре основных уровня укладки белковых молекул (уровни структуры белка):

1. Первичная структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

2. Вторичная структура — белковая нить свернутая в спираль (α –структура) или собранная в гормощку (β – структура) стабилизированная водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

3. Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи; взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное различными типами связей. Они могут быть двух типов:

- глобулярные:  общая форма из молекулы более или менее сферическая (их большинство)

- фибриллярные: их молекулы  в работающем состоянии представляют собой сильно вытянутые волокна (например кератин и коллаген)

4. Четверичная структура — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса

Свойства белков:

- имеют высокую молекулярную массу

- преимущественно растворимы в воде

-  способны к набуханию

- характеризуются оптической активностью и подвижностью в электрическом поле

- термолабильны (проявляют свои свойства – активность, в узких температурных рамках)

Денатурация -  это утрата белковой молекулой своей структурной организации и активности при: термической обработке (кипячение); химических воздействиях (кислоты, щелочи); радиоактивное излучение и т.д.

Ренатурация – это свойство белков полностью восстанавливать утраченную структуру и активность.

Функции белков:

1. Структурная  функция -  заключается в том, что белки:

- участвуют в образовании практически всех органоидов клеток

- образуют цитоскелет, придающий форму клеткам и многим органоидам и обеспечивающий механическую форму ряда тканей;

-  входят в состав межклеточного вещества, во многом определяющего структуру тканей и форму тела животных.

2. Транспортная функция — участвуют в переносе веществ в клетки и из клеток, в их перемещениях внутри клеток, а также в их транспорте кровью и другими жидкостями по организму.

3. Защитная функция — способность белков обеспечивать защиту организмов от неблагоприятного воздействия различных факторов. Эту функцию белки могут выполнять несколькими различными способами:

- механическая защита клеток или всего организма (из белков состоят: клеточная стенка одноклеточных водорослей и кутикула нематод; производными ороговевающего эпителия являются:  роговые чешуи рептилий, перья и чехол клюва птиц, шерсть, копыта и рога млекопитающих и др.)  + способность крови свертываться, что обеспечивается благодаря белку фибриногену, содержащийся в плазме крови.

- химическая защита (связывание токсинов белковыми молекулами и действие на токсины ферментов, например – ферменты печени обеспечивают детоксикацию крови)

- иммунная защита (антитела, которые связывают и обезвреживают возбудителей - вирусы или бактерии, например – белок интерферон).

- защитная функция токсинов (обеспечивают активную и пассивную ядовитость многих организмов, которая служит для защиты у от врагов или для нападения на добычу. Это основной компонент ядов большинства животных, а также некоторых грибов и бактерий).

4. Запасающая (энергетическая) функция белки редко используются как специальные запасные вещества. Это связано с  тем, что при «сжигании» белков в выделяются ядовитые «осколки» — аммиак, который в организме человека обезвреживается за счет превращения в менее токсичную мочевину. 

Тем не менее, белки в качестве запасных веществ (белок яйца - это белок, и желток - тоже белок!). Белки в значительных количествах запасаются в семенах семенных растений; особенно высокий процент их содержится в семенах бобовых. Питательную (энергетическую) функцию выполняют белки молока (казеин и др.). При их использовании в организме выделяется всего около 4-4,1 ккал/г, а при полном окислении — сжигании в калориметре — около 5,6 ккал/г.

5. Рецепторная функция - служат для восприятия сигналов, получаемых клеткой, и запускают ответную реакцию клетки на тот или иной сигнал.

6. Сигнальная функция — способность белков служить сигнальными веществами, передавая сигналы между тканями, клетками или организмами. Ее выполняют белки-гормоны.

7. Регуляторная функция ― осуществление белками регуляции процессов в клетке или в организме, что связано с их способностью к приему и передаче информации (например: факторы регуляции транскрипции и трансляции ДНК)

8. Каталитическая функция способность ускорять химические реакции организма. Все биологические катализаторы  - ферменты (или энзимы). Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой.

9. Двигательная участвуют в движении клеток и перемещении клеточных структур или входят в состав структурных компонентов, участвующих в движении.

II. Нуклеиновые кислоты и их роль в передаче наследственной информации

Нуклеиновые кислоты  – биологические полимерные молекулы.  Содержатся в ядрах клеток всех растительных и животных организмов, что определило их название (лат. nucleus – ядро).

Значение: обеспечивают хранение всей информации об отдельном живом организме, определяющий его рост и развитие, а также передачу наследственных признаков следующему поколению.

Существует 2 типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК

ДНК — Дезоксирибонуклеиновая кислота -  это длинная полимерная двуцепочная молекула, состоящая из повторяющихся пар мономеров - нуклеотидов.

Длина ДНК из митохондрий человека — около 16.000 п.н. (пар нуклеотидов). В геноме человека около 3.000.000.000 пар нуклеотидов, распределенных по 23 хромосомам. Это значит, что средняя длина молекулы ДНК из ядра человеческой клетки — более 100.000.000 пар нуклеотидов!

У эукариот ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и w:пластидах).

У прокариот кольцевая (за редкими исключениями) молекула ДНК, так называемый генофор, входит в состав нуклеоида.

У прокариот и у низших эукариот (например, у дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

У ДНК – содержащих вирусов одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном.

Функции ДНК:

1. Хранения наследственной информации (единица наследственной информации – ген)

2. Передачи наследственных признаков из поколения в поколение благодаря редупликации (удвоению) материнской молекулы и последующего расхождения дочерних молекул между клетками потомками.

3. Участвуют в качестве  матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка.

Строение мономера ДНК (нуклеотида)

Уровни организации ДНК

Первичная структура – это определенная последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи. В сокращённом однобуквенном обозначении эта структура записывается как ...– А – Г – Ц –...

 

Вторичная структура представляет собой две параллельные разнонаправленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную правозакрученную спираль.

Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направленными внутрь спирали.

Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи  по принципу комплементарности. 

Эти основания составляют комплементарные пары (от лат. complementum - дополнение). 

Третичная структура -  способ пространственной укладки полинуклеотидной цепи ДНК и формируется только в связи с белками.

Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. 

Хромосо́мы' (др.-греч. χρῶμα — цвет и σῶμα — тело) — нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки (клетки, содержащей ядро), которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза). Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина,

В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом.

Рибонуклеи́новая кисло́та (РНК) — является полимером в состав которого входят: остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания — аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащей вместо урацила тимин).  Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах.

В клетках эукариот, как выяснилось за последние десятилетия, есть множество разных типов молекул РНК, многие из которых никогда не покидают ядра (мяРНК, малые ядерные РНК). Функции многих из них не известны.

Главную роль в процессе синтеза белка играют три типа РНК:

1. Информационная РНК, или иРНК (сейчас её всё чаще называют мРНК - от англ. messenger RNA, хотя по-русски "м" чаще расшифровывают как "матричная"). Она считывает информацию о белке с участка ДНК и переносит ее к рибосомам

2. Транспортная РНК, или тРНК. Она доставляет аминокислоты к месту синтеза белка.

3. Рибосомальная РНК, или рРНК. Она входит в состав рибосом

III. Генетический код - свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В каждой молекуле ДНК записана информация о последовательности аминокислот в сотнях различных белках. Т.е в одной молекуле ДНК может быть записана информация о сотнях тысяч белков.

ДНК – входят в состав хромосом и состоят из генов

Ген – является единицей наследственной информации, это участок ДНК определяющий возможность развития отдельного элементарного признака или синтез одной белковой молекулы.  Он содержит информацию о последовательности аминокислот только в одном белке.

Каждой аминокислоте соответствует набор из трёх нуклеотидов, который называется триплетом или кодоном (например: Аланин – ГГГ,  Пролин – ЦЦЦ,  Лизин – ААА)            

Определенное сочетание нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК является кодом, несущим информацию о белке.

Для разграничения информации о различных белках в молекуле ДНК есть специальные триплеты, которые отвечают за «запуск» и «окончание» считывания информации с одного гена.

Свойства генетического кода

Универсальность – работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии)

Триплетность — единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов.

Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте.  

Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

IV. Биосинтез белка — сложный многоступенчатый процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков, происходящий на рибосомах клеток живых организмов с участием молекул иРНК (мРНК) и тРНК.

Синтез белка относится к реакциям пластического обмена и наиболее активно протекает в молодых растущих клетках. Он представляет цепь реакций, протекающих по принципу матричного синтеза

Суть реакций матричного синтеза состоит в том, что новые молекулы белка синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре молекул ДНК.

Этапы биосинтеза белка:

1. Транскрипция - процесс синтеза на одной из цепей молекулы ДНК молекулы и-РНК (мРНК) по принципу комплементарности. Процесс происходит не на всей молекуле ДНК одновременно, а на небольшом ее участке, соответствующем одному гену.

и-РНК (м-РНК) - обеспечивает перенос информации о первичной структуре белка к месту синтеза

2. Трансляция - перевод информации с молекулы и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи, происходит в цитоплазме на рибосомах.

т- РНК - доставляют к рибосомам цитоплазмы аминокислоты, необходимые для сборки белковых молекул. 

!!! Биосинтез протекает в присутствии множества ферментов, катализаторов всех реакций процесса.

!!! Процесс идет с участием АТФ, при распаде которой освобождается энергия, необходимая для его осуществления.

- и РНК синтезируется из свободных нуклеотидов на одной из цепей молекулы ДНК по принципу комплементарности (дополнительности) и фактически является рабочей копией гена, так как ее нуклеотиды повторяют нуклеотидный набор одной из цепей ДНК

- молекула и-РНК доставляется с помощью особого белка-фермента из ядра к рибосомам

- рибосома перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, триплет за триплетом.

- по мере перемещения рибосомы к полипептидной цепочке одна за другой присоединяются аминокислоты

- точное соответствие аминокислоты триплету обеспечивает т-РНК (транспортная РНК)

- для каждой аминокислоты существует своя т-РНК, один из триплетов которой (антикодон) комплементарен определенному триплету и-РНК

- конфигурация т-РНК напоминает лист клевера

- к «черешку» листа присоединяется определенная аминокислота, а на «верхушке листа» расположен кодовый триплет нуклеотидов, соответствующий данной аминокислоте

- на одной нити и-РНК может одновременно располагаться несколько рибосом, образуя полисому. 

Тема  21. Закономерности наследования и изменчивости признаков

I. История генетики

Генетика — наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов, а также механизмы эволюции живого.

В своем развитии генетика прошла ряд этапов:


Начало

Томас Эндрю Найт (1785–1838 г.г.) - английский селекционер, скрещивая различные растения, он обратил внимание на то, что каждый сорт отличается определенным набором признаков. В гибридах эти особенности не теряются, а наследуются в различных комбинациях.

Так, в начале XIX века Т. Найт пришел к концепции об элементарных наследственных признаках, которые через сто лет получили название генов.

Огюстен Сажре (1763-1851 г.г.)  - французский исследователь,  установил явление доминантности. В своих опытах он обратил внимание на то, что при скрещивании различных сортов растений в гибридах часто проявляются отличительные черты только одного из родителей.

Шарль Ноден (1815-1899 г.г.)- французский исследователь, предпринял количественные исследования распределения наследственных признаков при скрещивании.

Но он, как и Сажре, экспериментировал с растениями, мало подходящими для такого рода анализа. Работа этих и других исследователей подготовила почву для выяснения законов генетики. Однако, чтобы получить ясные результаты, требовалось правильно сформулировать вопрос и точно поставить эксперимент.

Первый этап - характеризуется открытием дискретности наследственной информации

1865 г. чешский монах натуралист Грегор Иоганн Мендель (1822-1884 г.г.) открыл дискретность (делимость) наследственных факторов и разработал гибридологический метод, изучения наследственности, т. е. правила скрещивания организмов и учета признаков у их потомства.

1900 г. – были переоткрыты законы Менделя тремя биологами (независимо друг от друга): голландским ботаником и генетиком Хуго де Фризом (1848–1935 г.г.), немецким ботаником и генетиком  Карлом Корренсом (1864-1933 г.г.) и  австрийским ботаником Эрихом Чермаком. (1871-1962 г.г.) . 

Результаты гибридизации, полученные в первое десятилетие XX в. на различных растениях и животных, полностью подтвердили менделевские законы наследования признаков и показали их универсальный характер по отношению ко всем организмам, размножающимся половым путем. Закономерности наследования признаков в этот период изучались на уровне целостного организма (горох, кукуруза, мак, фасоль, кролик, мышь и др.).

!!! Т.о. Менделевские законы наследственности заложили основу теории гена — величайшего открытия естествознания XX в., а генетика превратилась в быстро развивающуюся отрасль биологии.

1901 —1903 гг. голландский ботаник и генетик Хуго де Фриз (1848—1935 г.г.) выдвинул мутационную теорию изменчивости, которая сыграла большую роль в дальнейшем развитии генетики.

Второй этап - характеризуется переходом к изучению явлений наследственности на клеточном уровне.

1902 г. американец Уолтер Сэттон (1877-1916 г.г.) и немецкий цитолог и эмбриолог Теодор Бовери (1862-1915) независимо друг от друга предположили, что гены (единицы наследственной информации) расположены в хромосомах, и что каждая яйцеклетка или сперматозоид содержат только по одной хромосоме каждого типа. Эта идея положила начало хромосомной теории наследственности.

1904 г. английский биолог Уильям Бейтсон (1861-1926 г.г.) продемонстрировал, что хромосомы наследуются как единое целое.

1906 г. английский генетик Реджинальд Паннетт (1875-1967 г.г.) ввел термин «генетика»       (наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости).


1909 г. датский биолог Вильгельм Иоганнсен (1857-1927 г.г.) вводит термин «гены» и формулирует различия между понятиями генотип (совокупность всех генов организма) и фенотип (совокупность всех признаков организма).

1910—1911 г.г.  американский биолог Томас Морган (1866 – 1945 г.г.) совместно со своими учениками установил, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Также он сформулировал основные положения хромосомной теории наследственности (за что в 1933 г. получил Нобелевскую премию).

Третий этап - связан с использованием методов и принципов точных наук (физики, химии, математики, биофизики и др.) в изучении явлений жизни на уровне молекул. Объектами генетических исследований стали грибы, бактерии, вирусы.

1944 г. американский микробиолог, генетик Освальд Теодор Эвери (1877-1955 г.г.) доказал, что носителем генетической информации является ДНК.

1950 г американский биохимик Эрвин Чаргафф (1905 - 2002 г.г.) установил, что в ДНК общее количество аденина равно общему количеству тимина (А=Т), а количество гуанина – количеству цитозина (Г=Ц).

1953 г. британский молекулярный биолог Френсис  Крик (1916(19160608) - 2004 г.г.) и американский психолог Джон Уотсон (1878 —1958 г.г.) создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали (за что в 1962 г. получили Нобелевскую премию).

1959 г. французские микробиологи Франсис Жакоб  и Жаквис Моно (1910-1976) установили факт существования механизма регуляции генов.

1961 г. – был расшифрован генетический код и механизм его действия в процессе синтеза белка в клетке

1963 г американский биохимик Маршал Ниренберг расшифровал генетический код, который оказался универсальным как для бактерий, так и для высших организмов вплоть до человека (за что получил Нобелевскую Премию в 1968 г.).

1966 г. М.Ниренберг и Генрих Маттэй  продемонстрировали, что каждую из 20 аминокислот кодируют три смежных нуклеотида (кодон).

1970-е  г.г. -  были найдены методы искусственного получения мутаций и с их помощью созданы ценные сорта растений и штаммы микроорганизмов — продуцентов антибиотиков, аминокислот.

1972 г. – формируется генная инженерия — система приемов, позволяющих биологу конструировать искусственные генетические системы.

!!!Таким образом, третий, современный этап развития генетики открыл огромные перспективы направленного вмешательства в явления наследственности и селекции растительных и животных организмов, выявил важную роль генетики в медицине, в частности, в изучении закономерностей наследственных болезней и физических аномалий человека.

II. Законы Менделя

В 1856–66 годах чешским монахом натуралистом Грегором Иоганном Менделем (1822-1884) были поставлены знаменитые опыты, результатом которых стало появление новой науки – генетики.

Мендель установил закономерности наследования признаков. В 1865 г. он опубликовал книгу "Опыты над растительными гибридами".

Объектом для экспериментов был выбран огородный горох, так как существует множество его сортов, чётко различающихся по ряду признаков; растения легко выращивать и скрещивать.

Скрещивание двух организмов называется гибридизацией, потомство от скрещивания двух особей с разной наследственностью называют гибридным, а отдельную особь гибридом. 

Скрещивание двух организмов, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных (взаимоисключающих) признаков называется  моногибридным скрещиванием, по двум парам признаков – дигибридным скрещивание, а по множеству пар признаков - полигибридным скрещиванием.

Явление преобладания у гибрида признака одного из родителей назваемся доминированием. Признак, проявляющийся у гибрида первого поколения и подавляющий развитие другого признака, был назван доминантным, а противоположный, т, е. подавляемый, признак — рецессивным.

Если в генотипе организма (зиготы) два одинаковых аллельных гена — оба доминантные или оба рецессивные (АА или аа), такой организм называется гомозиготным. Если же из пары аллельных генов один доминантный, а другой рецессивный (Аа), то такой организм носит название гетерозиготного.

Первый закон, или закон единообразия гибридов первого поколения, утверждает, что при скрещивании организмов, различающихся аллельными признаками, в первом поколении гибридов проявляется лишь один из них – доминантный, а альтернативный ему, рецессивный, остаётся скрытым

Второй закон, или закон расщепления, гласит, что при скрещивании между собой двух гибридов первого поколения (или при их самоопылении) во втором поколении проявляются в определённом соотношении оба признака исходных родительских форм. Расщепление по генотипу 1:2:1 , по фенотипу 3:1.

Третий закон, или закон независимого комбинирования, утверждает, что при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по двум и более парам альтернативных признаков, каждая из таких пар (и пар аллельных генов) ведёт себя независимо от других пар, т. е. и гены, и соответствующие им признаки наследуются в потомстве независимо и свободно комбинируются во всех возможных сочетаниях.

Схема, иллюстрирующая единообразие гибридов первого поколения F1 (первый закон Менделя) и расщепление признаков у потомства второго поколения F2 с преобладанием доминантного фенотипа над рецессивным в отношении 3 : 1 (второй закон Менделя); A — доминантный ген, а — рецессивный ген. Заштрихованный круг — доминантный фенотип, а светлый — рецессивный.

Схема, иллюстрирующая независимое комбинирование признаков (третий закон Менделя). \Наследование жёлтой (В) и зелёной (b) окраски семян, а также круглой (А) и морщинистой (а) их формы. А и В доминируют над аллелями а и b. Генотипы родителей и потомков обозначены комбинацией указанных букв, а четыре разных фенотипа — при помощи различной штриховки.

В современной интерпретации основные положения теории наследственности Менделя следующие:

  •  За наследственные признаки отвечают дискретные (отдельные, не смешивающиеся) наследственные факторы — гены (термин «ген» предложен в 1909 г. В.Иоганнсеном)

Дискретность наследственности состоит в том, что отдельные свойства и признаки организма развиваются под контролем наследственных факторов (генов), которые при слиянии гамет и образовании зиготы не смешиваются, не растворяются, а при формировании новых гамет наследуются независимо друг от друга.

  •  Каждый диплоидный организм содержит пару аллелей данного гена, отвечающих за данный признак; один из них получен от отца, другой — от матери.
  •  Наследственные факторы передаются потомкам через половые клетки. При формировании гамет в каждую из них попадает только по одному аллелю из каждой пары (гаметы «чисты» в том смысле, что не содержат второго аллеля).

III. Основные положения хромосомной теории

1.  Хромосомы состоят из генов.

2.  Гены расположены в хромосоме в линейном порядке

Гигантская хромосома из слюнных желез дрозофилы,

заметно линейное расположение генов

3.  Ген – неделимая корпускула наследственности, «квант».

4.  В мутациях ген изменяется как целое.

5.  Гены, локализованные в пределах одной хромосомы, составляют одну группу сцепления и передаются совместно, поэтому признаки, зависящие от сцепления генов, наследуются совместно.

6.  Сцепленное наследование признаков может нарушаться за счет перекреста хромосом – кроссинговера (анг. crossingover перекрест), ведущего к перераспределению генетического материала между гомологичными хромосомами

Кроссинговер (обмен участками хромосом)

между гомологичными хромосомами

Эта теория была первой обстоятельной попыткой теоретической конкретизации идей, заложенных в законах Г. Менделя.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66329. ОПИС НАТЮРМОРТУ КАТЕРИНИ БІЛОКУР «КАВУН, МОРКВА, КВІТИ» 130.5 KB
  Мета: вчити аналізувати художнє полотно виділяти головне відбирати відповідні прикметники для опису предметів; розвивати структурно композиційні та мовностилістичні вміння; виховувати естетичні смаки. Обладнання: репродукція натюрморту Катерини Білокур Кавун морква квіти...
66330. Подорож до країни «Бізнес» 72.5 KB
  Цікава дуже штука Бізнес наука. Діти що ж робити нашим героям Де взяти кошти щоб купити потрібний товар корову Вони мабуть не знають що таке бізнес його законів та понять. Отож в цій газеті розповідається про цікаву справу про...
66331. Філологічний експрес 146.5 KB
  Перший етап Учасникам заздалегідь дається завдання підготувати невеличку на 24 хвили ни €œВізитну картку команди знайомство з членами команди. Журі оцінює цей етап конкурсу за 5 бальною системою. Другий етап Антисуржик Команди одержують віддрукований текст до якого внесено зміни шляхом його...
66332. Особливості використання методики ейдотехніки на уроках у першому класі початкової школи 246.5 KB
  Механічне запам’ятовування через силу постійні повторювання негативно впливають на фізичний стан нервову та емоційну сферу дітей значно ускладнюють процес їхнього адаптування до навчання у школі; у засвоєнні знань часто дають зворотний ефект.
66333. Що треба знати, обираючи фах 32 KB
  Адже саме в процесі праці сформувалася людина і завдяки праці змінюється її власна природа в якій вона досягає своєї свідомої мети прагне до її реалізації конструює свій життєвий шлях. Людина зобов’язана працювати щоб залишити на землі свій власний слід...
66334. Малювання фарбами. Оздобления новорічних iгpaшок, виготовлених iз солоного тіста 48 KB
  Вчитель пропонує учневі зачитати вірш Миколай Коли замерзла річка І став біленький гай Зійшов у темну нічку На землю Миколай. На кого схожий Святий Миколай На Діда Мороза На яке свято приходить Дід Мороз Новий Рік Що робить Дід Мороз...
66335. Сценарій презентації поетичної збірки В.Федорової «Місце під сонцем» 41 KB
  Вітаємо вас у цій світлиці, у цьому затишному куточку Красноріченського освітнього округу, де зібралися люди, небайдужі до чистоти духовних криниць, до натхненної творчої праці та наділені великою любов’ю до культурного розквіту нашого краю.
66336. ШКОЛА ЮНОГО ФЕНОЛОГА 12.94 MB
  Дерева хоч і не вкрилися листям але вже пробудилися від зимових холодів. Багряне та золоте листя вірна ознака осені. Буває що частина листя жовкне задовго до осінніх днів. Іноді жовте листя на кущах і деревах з’являється ще в середині літа коли сухо та спекотно.
66337. Фестиваль юних обдарувань 55 KB
  Оформлення: святковоуричисто прикрашений актовий зал; емблема; кольрові кульки; квіти; виставка творчих робіт поробок; Державний прапор України; грамоти призерам; картки творчих досягнень; стрічки домінантам: Інтелектуал року Ерудит року Творча особистість Золоті руки Спортсмен року...