Жизненный цикл клетки. Жизненный цикл клетки Хромосомы в начале анафазы

Содержание ДНК в органах и тканях животных и человека колеблется в широких пределах и, как правило, тем выше, чем больше клеточных ядер приходится на единицу массы ткани. Особенно много ДНК (около 2,5% сырого веса) в вилочковой железе, состоящей главным образом из лимфоцитов с крупными ядрами. Довольно много ДНК в селезенке (0,7-0,9%), мало (0,05-0,08%) в мозге и мышцах, где ядерное вещество составляет значительно меньшую долю. На ранних стадиях эмбрионального развития в этих органах содержится больше ДНК, но содержание ее уменьшается в процессе онтогенеза по мере дифференцировки. Однако количество ДНК на одно клеточное ядро, содержащее диплоидный набор хромосом, практически постоянно для каждого биологического вида. Соответственно количество ДНК в ядрах половых клеток вдвое ниже. По этой же причине различные физиологические и патологические факторы почти не влияют на содержание ДНК в тканях, а при голодании, например, относительное содержание ДНК даже возрастает за счет снижения концентрации других веществ (белков, углеводов, липидов, РНК). У всех млекопитающих количество ДНК в диплоидном ядре почти одинаково и составляет около 6 1012 г, у птиц - около 2,5 10-12, у разных видов рыб, амфибий и простейших оно колеблется в значительных пределах.

У бактерий одна гигантская молекула ДНК образует генофор, соответствующий хромосоме высших организмов. Так, у кишечной палочки Escherichia coli молекулярный вес такой кольцеобразной двуспиральной молекулы достигает около 2,5-Ю9 и длины, превышающей 1,2 мм . Эта огромная молекула плотно упакована в небольшой «ядерной области» бактерии и соединена с бактериальной мембраной.

В хромосомах высших организмов (эукариотов) ДНК находится в комплексе с белками, главным образом гистонами; в каждой хромосоме содержится, по-видимому, одна молекула ДНК длиной до нескольких сантиметров и молекулярным весом до нескольких десятков миллиардов. Такие огромные молекулы умещаются в клеточном ядре и в митотических хромосомах длиной в несколько микрометров. Часть ДНК остается не связанной с белками; участки несвязанной ДНК перемежаются с блоками ДНК, связанной с гистонами. Показано, что в таких блоках содержится по две молекулы гистонов 4 типов: Нда, Hab, Hg и Н4.

Помимо клеточного ядра, ДНК содержится в митохондриях и в хлоропластах. Количество такой ДНК обычно невелико и составляет небольшую долю общей ДНК клетки. Однако в ооцитах и на ранних стадиях эмбрионального развития животных подавляющая часть ДНК локализована в цитоплазме, главным образом в митохондриях. В каждой митохондрии содержится по поскольку молекул ДНК. У животных мол. вес митохондриальной ДНК составляет около 10-106; ее двуспиральные молекулы замкнуты в кольцо и находятся в двух основных формах: сверхскрученной и открытой кольцевой. В митохондриях и в хлоропластах ДНК не находится в комплексе с белками, она ассоциирована с мембранами и напоминает бактериальную ДНК Небольшие количества ДНК обнаружены также в мембранах и некоторых других структурах клеток, однако их особенности и биологического роль остаются неясными.

Гистохимические методы обнаружения в тканях

В основе гистохимических методов выявления нуклоиновых кислот лежат реакции на все компоненты, входящие в их состав. В растущих тканях происходит быстрое обновление пуринов, пиримидинов, фосфорных соединений и Сахаров. Этим пользуются для избирательного выявления в них ДНК авторадпографическим методом с помощью 3Н-тимпдпна. ДНК образует соли с щелочноземельными и тяжелыми металлами. Остатки фосфорной кислоты, которые обычно связаны с ядерными белками (чаще всего гистонами), при вытеснении последних легко вступают в химические реакции с основными красителями. Для этого могут быть использованы сафранин О, янус зеленый В, толуидиновый синий, тионин, азур А и не которые другие красители, разведенные растворы которых в уксусной кислоте избирательно окрашивают хроматин. Для количественного гистохимические определения ДНК рекомендуется метод с применением галлоцианин-хромосовых квасцов, который обладает двумя ценными качествами. Галлоцианинхромовые квасцы дают устойчивую окраску, которая не меняется при обезвоживании и просветлении срезов в ксилоле. Окрашивание можно проводить при любом значении рН от 0,8 до 4,3, однако рекомендуется работать при оптимальном значении рН для этого красителя - 1,64, так как при нем происходит максимальное специфическое выявление ДНК. При окрашивании галлопианинхромовыми квасцами ДНК соединяется с красителем в стехиометрическом соотношении, причем отношение краситель: ДНК составляет 1:3,7.

Наиболее распространенной реакцией на ДНК считается реакция Фейльгена. Она проводится после мягкого гидролиза предварительно фиксированной ткани в 1 и. НС1 при 60°, в результате чего от дезоксирибозофосфата отщепляются пурины, а затем и ппрпмпдины, освобождая тем самым реакционноспособные альдегидные группы, которые реактивом Шиффа окрашиваются в красный цвет. Время гидролиза зависит от природы объекта и метода фиксации. Для получения хороших результатов необходимо в каждом отдельном случае время гидролиза подбирать экспериментально.

Для проверки специфичности реакции Фейльгена существует метод ферментативного и кислотного экстрагирования ДНК. Ферментативное расщепление ДНК проводят дезоксирибонукдеазой при концентрации ферментного препарата 2 мг на 100 мл 0,01 М трисбуфера рН 7,6; раствор перед употреблением разводят диетической водой в соотношении 1:5. Рекомендуется инкубировать срезы при 37° в течение 2 час. Другим способом удаления ДНК служит обработка гистохимических препаратов 5% водным раствором трихлоруксуснои кислоты в течение 15 мин. при 90° или 10% горячей (70°) хлорной кислотой в течение 20 мин., после чего реакция Фейльгена должна дать отрицательные результаты.

Клетки различных типов отличаются друг от друга главным образом потому, что помимо белков, необходимых всем клеткам без исключения для поддержания жизнедеятельности, клетки каждого типа синтезируют свой собственный набор специализированных белков. Например, в клетках эпидермиса синтезируется кератин, в эритроцитах - гемоглобин, в клетках хрусталика - кристаллины и т.д. Поскольку для клеток каждого типа характерны специфические наборы генных продуктов, может возникнуть вопрос: не объясняется ли это просто тем, что клетки обладают различными наборами генов? Клетки хрусталика, например, утратили гены кератина, гемоглобина и т.д., но сохранили гены кристаллинов, или же в них за счет амплификации избирательно увеличилость число копий кристаллиновых генов. Однако целый ряд данных показывает, что это не так: клетки почти всех типов содержат одинаковый полный геном, имевшийся первоначально в оплодотворенном яйце. Причина различия в свойствах клеток заключена не в обладании разными наборами генов, а в их дифференциальной экспрессии. Иными словами, активность генов регулируется: они могут включаться и выключаться.

Наиболее убедительные доказательтва этого были получены в опытах с пересадкой ядер в клетки амфибий. Как правило, размеры яйцеклетки амфибий позволяют с помощью микропипетки инъецировать в них ядра, полученные из других клеток. Ядро самого яйца предварительно разрушают, облучая ультрафиолетом. Укол микропипеткой побуждает яйцеклетку к началу развития. Оказалось, что при замене ядра яйцеклетки ядром кератиноцита из кожи взрослой лягушки или ядром эритроцита получались нормальные плавающие головастики. Такие эксперименты имеют ряд ограничений: они успешны при использовании ядер лишь некоторых дифференцированных клеток и яйцеклеток определенных видов. Тем не менее, результаты и других исследований позволяют придти к заключению о том, что в процессе развития постоянство генома сохраняется.

Из этого правила известно несколько исключений. Например, у некоторых беспозвоночных в соматических (не половых) клетках часть хромосом, представленных в клетках зародышевой линии (предшественниках гамет), утрачивается уже на ранних стадиях развития. В ооцитах некоторых других животных (в том числе и у Xenopus laevis) происходит избирательная репликация генов рибосомной РНК, а у личинок некоторых насекомых имеет место неравная политенизация хромосом, в результате чего происходит усиленная амплификация каких-то одних определенных генов. Синтез антител и антиген-специфических рецепторов лимфоцитами у позвоночных включает сплайсинг фрагментов ДНК, расположенных в геноме этих специализированных клеток в разных местах. Сплайсинг происходит по мере дифференцировки данных клеток. (

Полное название образовательного учреждения: Департамент общего образования Томской области Филиал областного государственного образовательного учреждения «Томский государственный педагогический колледж » в г. Колпашево

Курс: Биология

Раздел: Общая биология

Тема: Биополимеры. Нуклеиновые кислоты, АТФ и другие органические соединения.

Цель занятия: продолжить изучение биополимеров, способствовать формированию приемов логической деятельности, познавательных способностей.

Задачи урока:

Образовательные: познакомить студентов с понятиями нуклеиновые кислоты, способствовать осмыслению и усвоению материала.

Развивающие: развивать когнитивные качества студентов (умение видеть проблему, умение задавать вопросы).

Воспитательные: формировать положительную мотивацию к изучению биологии, стремление получить конечный результат, умение принимать решения и делать выводы.

Время реализации: 90 мин.

Оборудование:

· раздаточный дидактический материал (список кодирования аминокислот);

План:

1. Типы нуклеиновых кислот.

2. Строение ДНК.

3. Основные виды РНК.

4. Транскрипция.

5. АТФ и другие органические соединения клетки.

Ход занятия:

I. Организационный момент.
Проверка готовности к занятию.

II. Повторение.

Устный опрос:

1. Охарактеризуйте функции жиров в клетке.

2. В чем отличие биополимеров белков от биополимеров углеводов? В чем их сходство?

Тестирование (3 варианта)

III. Изучение нового материала.

1. Типы нуклеиновых кислот. Название нуклеиновые кислоты происходит от латинского слова «нуклеос», т. е. ядро: они впервые были обнаружены в клеточных ядрах. В клетках имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Мономеры-нуклеотиды ДНК и РНК сходны в основных чертах строения и играют центральную роль в хранении и передаче наследственной информации. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов, соединенных прочными химическими связями. Каждый из нуклеотидов, входящих в состав РНК, содержит триуглеродный сахар - рибозу; одно из четырех органических соединений, которые называют азотистыми основаниями, - аденин, гуанин, цитозин, урацил (А, Г, Ц, У); остаток фосфорной кислоты.

2. Строение ДНК . Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар - дезоксирибозу; одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин (А, Г, Ц, Т); остаток фосфорной кислоты.

В составе нуклеотидов к молекуле рибозы (или дезоксирибозы одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой - остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются между собой в длинные цепи. Остов такой цепи образуют регулярно чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты, а боковые группы этой цепи - четыре типа нерегулярно чередующихся азотистых основания.

Молекула ДНК представляет собой структуру, состоящую из двух нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью. Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А в одной лежит азотистое основание Т в другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое основание Ц.

Схематически сказанное можно выразить следующим образом:

А (аденин) - Т (тимин)

Т (тимин) - А (аденин)

Г (гуанин) - Ц (цитозин)

Ц (цитозин) - Г (гуанин)

Эти пары оснований называют комплементарными основаниями (дополняющими друг друга). Нити ДНК, в которых основания расположены комплементарно друг другу, называют комплементарными нитями.

Модель строения молекулы ДНК предложили Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. Она полностью подтверждена экспериментально и сыграла исключительно важную роль в развитии молекулярной биологии и генетики.

Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, т. е. их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов и др.) определяет свойства клетки и организма. Молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их поколениям потомков, т. е. являются носителями наследственной информации. Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и хлоропластах.

3. Основные виды РНК. Наследственная информация, хранящаяся в молекулах ДНК, реализуется через молекулы белков. Информация о строении белка передается в цитоплазму особыми молекулами РНК, которые называются информационными (и-РНК). Информационная РНК переносится в цитоплазму, где с помощью специальных органоидов – рибосом идет синтез белка. Именно информационная РНК, которая строится комплементарно одной из нитей ДНК, определяет порядок расположения аминокислот в белковых молекулах.

В синтезе белка принимает участие и другой вид РНК - транспортная (т-РНК), которая подносит аминокислоты к месту образования белковых молекул - рибосомам, своеобразным фабрикам по производству белков.

В состав рибосом входит третий вид РНК, так называемая рибосомная (р-РНК), которая определяет структуру и функционирование рибосом.

Каждая молекула РНК в отличие от молекулы ДНК представлена одной нитью; вместо дезоксирибозы она содержит рибозу и вместо тимина - урацил.

Итак, нуклеиновые кислоты выполняют в клетке важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация обо всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

4. Транскрипция.

Процесс образования и-РНК называется транскрипцией (от лат. «транскрипцио» - переписывание). Транскрипция происходит в ядре клетки. ДНК → и-РНК с участием фермента полимеразы. т-РНК выполняет функцию переводчика с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот, т-РНК получает команду от и-РНК - антикодон узнает кодон и несет аминокислоту.

Конечный продукт" href="/text/category/konechnij_produkt/" rel="bookmark">конечных продуктов биосинтеза относятся аминокислоты, из которых в клетках синтезируются белки; нуклеотиды - мономеры, из которых синтезируются нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК); глюкоза, которая служит мономером для синтеза гликогена, крахмала, целлюлозы.

Путь к синтезу каждого из конечных продуктов лежит через ряд промежуточных соединений. Многие вещества подвергаются в клетках ферментативному расщеплению, распаду.

Конечными продуктами биосинтеза являются вещества, играющие важную роль в регуляции физиологических процессов и развитии организма. К числу их относятся многие гормоны животных. Гормоны тревоги или стресса (например, адреналин) в условиях напряжения усиливают выход глюкозы в кровь, что, в конечном счете, приводит к увеличению синтеза АТФ и активному использованию энергии, запасенной организмом.

Аденозинфосфорные кислоты. Особо важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены еще два остатка фосфорной кислоты. Такое вещество называют аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ). Молекула АТФ представляет собой нуклеотид, образованный азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями.

АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии. Световая энергия Солнца и энергия, заключенная в потребляемой пище, запасаются в молекулах АТФ.

Средняя продолжительность жизни 1 молекулы АТФ в организме человека менее минуты, поэтому она расщепляется и восстанавливается 2400 раз в сутки.

В химических связях между остатками фосфорной кислоты молекулы АТФ запасена энергия (Е), которая освобождается при отщеплении фосфата:

АТФ = АДФ + Ф + Е

В этой реакции образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и фосфорная кислота (фосфат, Ф).

АТФ + H2O → АДФ + H3PO4 + энергия(40 кДж/моль)

АТФ + H2O → АМФ + H4P2O7 + энергия(40 кДж/моль)

АДФ + H3PO4 + энергия(60 кДж/моль) → АТФ + H2O

Энергию АТФ все клетки используют для процессов биосинтеза, движения, производства тепла, передачи нервных импульсов, свечений (например, у люминесцентных бактерий), т. е. для всех процессов жизнедеятельности.

IV . Итог занятия.

1. О б о б щ е н и е изученного материала.

Вопросы к студентам:

1. Какие компоненты входят в состав нуклеотидов?

2. Почему постоянство содержания ДНК в разных клетках организма считается доказательством того, что ДНК представляет собой генетический материал?

3. Дайте сравнительную характеристику ДНК и РНК.

4. Решите задачи:

1)

Г-Г-Г-А-Т-А-А-Ц-А-Г-А-Т достройте вторую цепь.

Ответ: ДНК Г-Г-Г - А-Т-А-А-Ц-А-Г-А-Т

Ц-Ц-Ц-Т-А-Т-Т-Г-Т-Ц-Т-А

(по принципу комплементарности)

2) Укажите последовательность нуклеотидов в молекуле и-РНК, построенной на этом участке цепи ДНК.

Ответ: и-РНК Г-Г-Г-А-У-А-А-Ц-А-Г-Ц-У

3) Фрагмент одной цепи ДНК имеет следующий состав:

А-А-А-Т-Т-Ц-Ц-Г-Г-. достройте вторую цепь.

Ц-Т-А-Т-А-Г-Ц-Т-Г-.

5. Решите тест:

4) Какой из нуклеотидов не входит в состав ДНК?

б) урацил;

в) гуанин;

г) цитозин;

д) аденин.

Ответ: б

5) Если нуклеотидный состав ДНК

АТТ-ГЦГ-ТАТ - то каким должен быть нуклеотидный состав и-РНК?

а) ТАА-ЦГЦ-УТА;

б) ТАА-ГЦГ-УТУ;

в) УАА-ЦГЦ-АУА;

г) УАА-ЦГЦ-АТА.

Ответ: в

6) Антикодон т-РНК УУЦ соответствует коду ДНК?

Ответ: б

7) В реакцию с аминокислотами вступает:

Ответ: а

6. В чем сходство и различие между белками и нуклеиновыми кислотами?

7. Каково значение АТФ в клетке?

8. Что является конечными продуктами биосинтеза в клетке? Каково их биологическое значение?

9. Рефлексия:

Что было трудно запомнить на занятии?

Что нового узнал на занятии?

Что вызвало интерес на занятии?

VI . Домашнее задание.

Решить задачу:

АТФ - постоянный источник энергии для клетки. Его роль можно сравнить с ролью аккумулятора. Объясните, в чем заключается это сходство?

Список использованной литературы и Интернет-ресурсов:

1. Биология. Общая биология. 10-11 классы / , – М.: Просвещение, 2010. – с.22

2. Биология. Большой энциклопедический словарь /гл. ред. . – 3-е изд. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. – с.863

3. Биология. 10-11классы: организация контроля на уроках. Контрольно-измерительные материалы /сост. – Волгоград: Учитель, 2010. – с.25

4. Энциклопедия для детей. Т. 2. Биология /сост. . – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Авнта+, 1996. – ил: с. 704

5. Модель АТФ - http:///news/2009/03/06/protein/

6. Модель ДНК– http:///2011/07/01/dna-model/

7. Нуклеиновые кислоты – http:///0912/0912772_ACFDA_stroenie_nukleinovyh_kislot_atf. pptx

Хромосомы состоят из хроматина - соединения ДНК и белков (гистонов). Этот комплекс имеет сложную пространственную конфигурацию.

Характер соединения (упаковка) в хромосоме одной очень длинной молекулы ДНК (длина ее достигает сотен и даже тысяч микрометров) и многочисленных, сравнительно компактных молекул белков до конца еще не выяснен.

Предполагают, что цепочка из многих молекул белков находится в середине, а ДНК закручена вокруг в виде спирали. Помимо этих двух основных соединений в хроматине обнаружено небольшое количество РНК, липидов и некоторые соли.

Постоянство количества ДНК в ядре

У каждого вида растений и животных в ядре клетки содержится строго определенное и постоянное количество ДНК. У разных видов организмов содержание ДНК значительно отличается. Например, в одном ядре гаплоидной клетки (в сперматозоиде) морского ежа содержится 0,9·10 -9 мг ДНК, у карпа - 1,64·10 -9 , петуха - 1,26·10 -9 , быка - 3,42·10 -9 , человека - 3,25·10 -9 мг. У некоторых растений эти цифры значительно выше. У лилии, например, в гаплоидной клетке содержится 58,0·10 -9 мг ДНК.

В ядрах всех соматических (диплоидных) клеток каждого вида организмов содержание ДНК тоже является величиной постоянной и в два раза превосходящей количество ДНК в гаплоидных клетках этого вида.

Еще более важным является специфичность нуклеотидного состава ДНК. Советский ученый акад. А.Н.Белозерский установил, что ДНК, выделенная из разных тканей одного организма, имеет одинаковый нуклеотидный состав. Он не зависит от возраста организма и от влияния внешней среды. В то же время у ДНК, выделенной из клеток разных видов, азотистые основания содержатся в различных соотношениях.

Генетикам удалось выяснить, почему при одинаковости ДНК во всех клетках организма сами клетки развиваются по-разному. Они нашли код, блокирующий информационные участки генетического кода. Причём код оказался универсальным для разных видов.

В генетическом коде помимо информации, определяющей все белки, которые может произвести клетка, найден еще один механизм кодирования. Код закладывает порядок блокировки информации. Она недоступна для считывания на тех участках молекулы ДНК, где цепочка накручена на гистоны – своеобразные белковые катушки, и код указывает места скрутки.

Определяющие местоположение заблокированных кусочков ДНК последовательности нуклеотидов описали Эран Сигал из израильского Института Вейцмана и Джонатан Уидом из Северо-Западного универститета в Иллионойсе в последнем номере журнала Nature.

Биологи в течение многих лет подозревали, что участки ДНК, которые наиболее легко накручиваются на нуклеосомы, благосклонны к этому благодаря особым факторам. Но, какие это факторы, было непонятно. Учёные проанализировали более двухсот свёрнутых в нуклеосомы участков ДНК дрожжей.

И обнаружили скрытые метки – особую последовательность нуклеотидных пар на некоторых участках цепи, определяющих доступность следующего за ними генетического материала. Они расположены в считавшейся до сих пор «мусорной» части ДНК

Зная эти ключевые участки, исследователи сумели правильно предсказать местоположение 50% нуклеосом в клетках аналогичных тканей у других видов (в каждой клетке содержится около 30 миллионов нуклеосом).

Фактически открытие означает установление универсального для всех живых организмов механизма блокировки генетической информации.

Доктор Сигал, по его словам, был весьма удивлен такому хорошему результату. По его предположению, нуклеосомы часто перемещаются, открывая для считывания новые участки ДНК. Местоположение неразгаданной половины скрученных ДНК определяется соревнованием между нуклеосомами и другими механизмами блокировки.

На свободных участках ДНК при необходимости транскрибировать ген (создать новый белок) реализуется похожий природный механизм меток. Об этом коде учёные знали уже давно: перед геном , определяющим вещество, стоят «поясняющие» его 6–8 нуклеотидных пар.

Сами катушки-нуклеосомы состоят из белков гистонов. В процессе эволюции гистоны проявили себя как наиболее стойкие к изменениям. Они так же практически не различаются у разных видов живых организмов. Так, гистоны гороха и коровы различны всего в двух из 102 аминокислотных соединений. А так как любая информация о белке содержится в виде последовательности нуклеотидных пар в ДНК-коде, ученые давно предполагали, что существует похожий для многих организмов механизм блокировки информации в ДНК-коде. Записанный в виде последовательности нуклеотидных пар, им может оказаться как раз нуклеосомный код.

А сочетание кода считывания и кода блокировки как раз и определяет, во что превратится данная клетка при развитии организма из зародыша.