Лекция 3. Биология

1. Деление клетки.

Медицинский институт
Деление клетки.
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
ЗАЙЦЕВА ИРИНА АНДРЕЕВНА

2.

Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала.
Генный уровень
Наименьшей (элементарной) единицей наследственного материала является ген.
Ген – это часть молекулы ДНК, имеющая определенную последовательность нуклеотидов и представляющая собой
единицу функционирования наследственного материала.
Изменение в структуре гена ведет к изменению соответствующего признака. Следовательно, на генном уровне обеспечиваются
индивидуальное наследование и индивидуальная изменчивость признаков.
Хромосомный уровень
Все гены в клетке объединены в группы и располагаются в хромосомах в линейном порядке. Каждая хромосома уникальна по набору
входящих в нее генов.
Хромосомный уровень в эукариотических клетках обеспечивает характер функционирования отдельных генов, тип их наследования и
регуляцию их активности.
Геномный уровень
Геном – совокупность всех генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом. При оплодотворении два генома родительских гамет
сливаются и образуют генотип.
Генотип – совокупность всех генов, заключенных в диплоидном наборе хромосом, или кариотипе. Кариотип – полный набор
хромосом, характеризующийся у каждого вида их строго определенным числом и строением.
Геномный уровень отличается высокой стабильностью. Он обеспечивает сложную систему взаимодействия генов. Результатом
взаимодействия генов друг с другом и с факторами внешней среды является фенотип.

3.

Структура ДНК.
В ДНК входят 4 типа АО: А, Т, Г, Ц; сахар дезоксирибоза. Связь между нуклеотидами образуется с участием 3/-ОН-группы одного
нуклеотида и 5/-остатком фосфорной кислоты другого (3/–5/-фосфодиэфирная связь). В результате молекула полинуклеотида
приобретает направленность — у нее есть 3/-конец и 5/-конец. Под первичной структурой ДНК понимают последовательность
нуклеотидов в одной полинуклеотидной цепи.

4.

Мономером ДНК является дезоксирибонуклеотид, включающий три компонента:
Азотистое основание — пуриновое (аденин, гуанин) или пиримидиновое (тимин, цитозин).
Сахар — дезоксирибоза (C₅H₁₀O₄).
Фосфатная группа — соединяет нуклеотиды между собой в цепь.
Основания соединяются с дезоксирибозой через N-гликозидную связь, а нуклеотиды — между собой фосфодиэфирными связями
(между 3′ и 5′ атомами углерода соседних сахаров).
ДНК представляет собой двойную спираль, открытие которой принадлежит Уотсону и Крику (1953).
Модель имеет следующие особенности:
Две антипараллельные полинуклеотидные цепи, ориентированные в противоположных направлениях (5′→3′ и 3′→5′).
Основания обеих цепей связаны водородными связями:
Аденин (A) — Тимин (T) — 2 водородные связи,
Гуанин (G) — Цитозин (C) — 3 водородные связи.
Внешняя часть спирали — сахарофосфатный остов.
Внутренняя часть — пары азотистых оснований, образующие «ступеньки» лестницы.
Длина одной спирали в среднем составляет около 10 пар оснований на один виток

5.

Функциональные свойства
Комплементарность — возможность точного копирования генетической информации.
Антипараллельность — ориентация цепей обеспечивает правильное считывание информации.
Полуконсервативная репликация — каждая новая молекула ДНК содержит одну старую и одну вновь синтезированную цепь.
Гибкость и стабильность — обеспечиваются водородными и гидрофобными взаимодействиями.

6.

Силы, стабилизирующие двойную спираль: 1) горизонтальные водородные связи между АО (А = Т, Г ≡ Ц); 2) вертикальные «стейкинг»-взаимодействия
между АО; 3) гидрофобные взаимодействия (АО обращены внутрь, к оси спирали, а полярные пентозы и фосфаты — наружу).
Силы, дестабилизирующие двойную спираль: электро-статические взаимодействия между отрицательно заряженными фосфатами: а) в пределах одной цепи;
б) между цепями.
Двойная спираль ДНК и бороздки:
Молекула ДНК — это как скрученная лестница, где «перекладины» состоят из пар оснований (A–T и G–C).
Из-за того, как спираль закручена, на её поверхности образуются две канавки —
большая бороздка,
малая бороздка.
В большой бороздке основания (буквы ДНК — A, T, G, C) немного «выглядывают наружу».
Поэтому белки могут "читать" последовательность ДНК, присоединяясь именно туда.
В малую бороздку попасть сложнее — она уже и менее доступна.
2. Денатурация (или плавление) ДНК:
Если нагревать ДНК (примерно до 70 °C и выше), связи между двумя цепочками разрушаются, и спираль раскручивается.
В итоге вместо двойной цепи получаются две отдельные нити — это и есть денатурация.
Такое временное разделение цепей также происходит в живых клетках, когда ДНК нужно скопировать (репликация) или считать информацию (транскрипция) — только там это
происходит в отдельных участках, а не по всей длине.
3. Ренатурация:
Если потом остудить ДНК, цепочки снова находят друг друга по принципу «A соединяется с T, G — с C» и скручиваются обратно в двойную спираль.
Это восстановление структуры называется ренатурацией.
Третичная структура ДНК — формируется только в связи с белками и служит для компактной упаковки ДНК в ядре. Белки, входящие в состав
нуклеопротеинов:
Гистоновые: богаты аргинином и лизином, имеют «+» заряд (основные). Связь с НК — ионная.
Негистоновые.

7.

Уровни упаковки генетического материала:
Нуклеосомный. Нуклеосома состоит из октамера гистонов (содержит 8 молекул гистонов — по два каждого класса, кроме Н1), вокруг
этого ядра молекула ДНК делает 1,5–2 оборота.
Соленоидный — обеспечивается гистоном Н1(«линкерный гистон», устанавливает компактное состояния массива нуклеосом)
Петлевой — в образовании петель принимают участие негистоновые белки.
Уровень метафазной хромосомы — высший уровень спирализации хроматина.

8.

Экспрессия (проявление действия) гена в процессе синтеза белка
Весь процесс синтеза белка условно делится на три этапа: транскрипция,
процессинг и трансляция.
Транскрипция – процесс переписывания информации с молекулы ДНК на и-РНК. Протекает в ядре.
Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Каждая нить представлена последовательностью нуклеотидов, а каждый
нуклеотид состоит из углевода (пентозы), азотистого основания и остатка фосфорной кислоты.
Каждая нить молекулы ДНК имеет два конца – гидроксильный (3 ) и фосфатный (5 ). Нити расположены по отношению друг к другу
антипараллельно.
Синтез и-РНК в клетке всегда идет от фосфатного конца к гидроксильному. Поэтому матрицей для транскрипции служит одна нить ДНК,
обращенная к синтезирующему ферменту своим гидроксильным концом; она называется кодогенной,илиинформативной(а другая нить,
соответственно, некодогенной, или неинформативной).
Транскрипция делится на три периода:
инициация,
элонгация,
терминация.

9.

Инициация –начало синтеза и-РНК.
Синтез и-РНК осуществляется при помощи фермента – РНК-полимеразы. У прокариот имеется только один вид этого фермента, у эукариот – пять видов. Сущность
инициации состоит в том, что фермент РНК-полимераза отыскивает в молекуле ДНК стартовую область – промотор и прикрепляется к ней. Это происходит в течение 15-20
секунд.
Элонгация –синтез молекулы и-РНК из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности: аденину соответствует урацил, а цитозину – гуанин. За 1 секунду
выстраивается около 50 нуклеотидов. Синтез и-РНК одновременно протекает в нескольких участках молекулы ДНК. Образующиеся фрагменты называются транскриптоны.
В последующем они объединяются.
Терминация –завершение синтеза и-РНК.
Происходит тогда, когда РНК-полимераза встречается с особым участком молекулы ДНК – терминатором.
У прокариот в роли терминатора выступают участки молекулы ДНК, имеющие «симметричное» строение – они одинаково читаются в обе стороны от центра. Такие участки
называются палиндромами. Фрагмент и-РНК, синтезированный на таком участке, в последующем складывается вдвое в виде шпильки. Образование "шпильки" является
сигналом для завершения синтеза и-РНК. У эукариот "шпильки" не образуются.

10.

ПРОЦЕССИНГ
КЭП – 1 – АУГ – 2 – 3 – 4 – poli-A
Здесь КЭП – "колпачок", 1 – лидирующий участок, АУГ – стартовый кодон, 2 – экзоны (их может быть много), 3 – кодон-терминатор, 4 –
трейлер, poli-А – 100-200 остатков адениловой кислоты.
Лидирующий участок взаимодействует в последующем с рибосомальной РНК, а трейлер определяет местоположение и-РНК в
цитоплазме и продолжительность ее функционирования.
Такая и-РНК выходит из ядра в цитоплазму, где осуществляется следующий этап – трансляция.

11.

ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ
Жизненный (клеточный) цикл - это
период существования клетки от момента ее образования вследствие деления материнской клетки до собственного
деления или смерти. Обязательный компонент клеточного цикла - митотический (пролиферативный) цикл - комплекс
однонаправленных, регулируемых, взаимосвязанных и упорядоченных во времени событий, происходящих в
процессе подготовки клетки к делению, на протяжении деления и непосредственно после завершения деления. Кроме
митотического цикла, в жизненный цикл клеток многоклеточного организма входит период выполнения специфических
функций (дифференцированные клетки) и периоды покоя (образовавшиеся вследствие митоза дочерние клетки
«ожидают сигнала», дифференцироваться им или вступить в митотический цикл)

12.

Жизненный цикл клетки многоклеточного организма: I - митотический цикл; II - переход
клетки в дифференцированное состояние; III - гибель клетки; G1 - пресинтетический
(постмитотический) период интерфазы; G2 - постсинтетический (предмитотический) период
интерфазы; S - синтетический период интерфазы; R1 и R2 - периоды покоя; М - митоз; 2с диплоидное количество ДНК, 4с - тетраплоидное (удвоенное) количество ДНК

13.

МИТОЗ
способ деления эукариотических клеток, при котором каждая из
двух дочерних клеток получает генетический материал, идентичный исходной клетке;
один из основных механизмов индивидуального развития почти
всех представителей растительного и животного мира.
Часто митозом называют только деление ядра (кариокинез, или
непрямое деление клетки).
Период между двумя делениями называют интерфазой. Вместе
с митозом интерфаза составляет жизненный цикл клетки.

14. Фаза G1 (постмитотическая)

В эту фазу активируются обменные процессы, необходимые для синтеза ДНК. Он
характеризуется ростом клеток, синтезом белка и РНК. Клетка восстанавливает нужный
объем органелл и достигает обычных размеров. В ней синтезируются специальные белкиактиваторы S-периода.
В середине G1 - периода имеется точка ограничения (точка рестрикции, R-точка). Она
характеризуется тем, что после ее достижения клетка получает возможность пройти все
дальнейшие этапы митотического цикла. Достижение клеткой точки R регулируется
многими факторами, в том числе и генетическими.
Подвергшиеся мутации клетки в условиях нормы этой точки не достигают и переходят в
состояние покоя (Go). В этом случае происходит репарация ДНК, и клетка способна вновь
возвратиться в митотический цикл.
Кроме того, в состояние покоя (Go-период) переходят клетки, приступившие к
дифференцировке, а также клетки, подвергшиеся экстремальным воздействиям. В
данном случае такой переход необходим для минимизации действия экстремального
фактора, поскольку покоящаяся клетка характеризуется повышенными резистентными
свойствами.

15. Фаза S (фаза синтеза ДНК)

• фаза удвоения ДНК в ядре, когда хромосомы полностью
реплицируются. Одновременно удваиваются центриоли.

16. Фаза G2 (премитотическая)

• характеризуется синтезом и-РНК, р-РНК, белков тубулинов, из
которых образуется веретено деления.
• Полностью созревают дочерние центриоли.
• Запасается энергия для последующего митоза.

17.

18. Амитоз

Амитоз, или прямое деление клетки — деление клеток простым разделением ядра надвое.

19.

Спасибо за внимание!