След откриването на принципа на молекулярна организация на вещество като ДНК през 1953 г., молекулярната биология започва да се развива. Освен това, в процеса на изследване, учените разбраха как ДНК се рекомбинира, нейния състав и как работи нашият човешки геном.
Най-сложните процеси протичат всеки ден на молекулярно ниво. Как е структурирана ДНК молекулата, от какво се състои? И каква роля играят ДНК молекулите в клетката? Нека поговорим подробно за всички процеси, протичащи в двойната верига.
Какво представлява наследствената информация?
И така, откъде започна всичко? Още през 1868 г. те са открити в ядрата на бактериите. И през 1928 г. Н. Колцов излага теорията, че именно в ДНК е криптирана цялата генетична информация за живия организъм. Тогава Дж. Уотсън и Ф. Крик намират модел на познатата днес ДНК спирала през 1953 г., за което заслужено получават признание и награда - Нобелова награда.
Какво е ДНК изобщо? Това вещество се състои от 2 обединени нишки, по-точно спирали. Част от такава верига с определена информация се нарича ген.
ДНК съхранява цялата информация за това какъв вид протеини ще се образуват и в какъв ред. ДНК макромолекулата е материален носител на невероятно обемна информация, която се записва чрез строга последователност от отделни градивни блокове - нуклеотиди. Общо има 4 нуклеотида, те се допълват химически и геометрично. Този принцип на допълване или допълване в науката ще бъде описан по-късно. Това правило играе ключова роля в кодирането и декодирането на генетична информация.
Тъй като ДНК веригата е невероятно дълга, няма повторения в тази последователност. Всяко живо същество има своя уникална ДНК верига.
ДНК функции
Функциите включват съхранение на наследствена информация и предаването й на потомство. Без тази функция геномът на вида не би могъл да бъде запазен и развит хилядолетия. Организмите, претърпели големи генни мутации, са по-склонни да не оцелеят или да загубят способността да произвеждат потомство. Така се получава естествената защита от дегенерацията на вида.
Друга съществена функция е внедряването на съхранена информация. Клетката не може да произведе нито един жизненоважен протеин без инструкциите, които се съхраняват в двойна верига.
Състав на нуклеиновата киселина
Сега вече е надеждно известно от какво се състоят самите нуклеотиди - градивните елементи на ДНК. Те се състоят от 3 вещества:
- Ортофосфорна киселина.
- Азотна основа. Основи на пиримидин - които имат само един пръстен. Те включват тимин и цитозин. Пуринови основи, които съдържат 2 пръстена. Това са гуанин и аденин.
- Захароза. Като част от ДНК - дезоксирибоза, В РНК - рибоза.
Броят на нуклеотидите винаги е равен на броя на азотните основи. В специални лаборатории се разцепва нуклеотид и от него се изолира азотна основа. Така се изучават индивидуалните свойства на тези нуклеотиди и възможните мутации в тях.
Нива на организация на наследствената информация
Има 3 нива на организация: генно, хромозомно и геномно. Цялата информация, необходима за синтеза на нов протеин, се съдържа в малък участък от веригата - гена. Тоест генът се счита за най-ниското и просто ниво на кодиране на информацията.
Гените от своя страна се събират в хромозоми. Благодарение на такава организация на носителя на наследствен материал, групи от знаци се редуват според определени закони и се предават от едно поколение на друго. Трябва да се отбележи, че в тялото има невероятно много гени, но информацията не се губи дори когато се комбинира многократно.
Има няколко вида гени:
- според тяхното функционално предназначение има 2 вида: структурни и регулаторни последователности;
- според влиянието върху процесите, протичащи в клетката, те се разграничават: супервитални, летални, условно летални гени, както и мутаторни и антимутаторни гени.
Гените са разположени по протежение на хромозомата в линеен ред. В хромозомите информацията не е произволно фокусирана, има определен ред. Има дори карта, показваща позициите или локусите на гените. Например, известно е, че хромозома номер 18 кодира данни за цвета на очите на детето.
Какво е геном? Това е името на целия набор от нуклеотидни последователности в клетката на тялото. Геномът характеризира целия вид, а не индивида.
Какъв е човешкият генетичен код?
Факт е, че целият огромен потенциал на човешкото развитие е заложен още в периода на зачеването. Цялата наследствена информация, необходима за развитието на зиготата и растежа на детето след раждането, е кодирана в гените. Части от ДНК са най-основните носители на наследствена информация.
Човек има 46 хромозоми или 22 соматични двойки плюс една определяща пола хромозома от всеки родител. Този диплоиден набор от хромозоми кодира целия физически вид на човек, неговите умствени и физически способности и предразположение към болести. Соматичните хромозоми са външно неразличими, но носят различна информация, тъй като едната от тях е от бащата, а другата от майката.
Мъжкият код се различава от женския в последната двойка хромозоми - XY. Женският диплоиден комплект е последната двойка, XX. Мъжете получават една Х хромозома от биологичната си майка и след това тя се предава на дъщерите им. Половата Y хромозома се предава на синовете.
Човешките хромозоми се различават значително по размер. Например, най-малката двойка хромозоми е # 17. И най-голямата двойка е 1 и 3.
Диаметърът на двойна спирала при хората е само 2 nm. ДНК е усукана толкова плътно, че се вписва в малкото ядро на клетката, въпреки че дължината й ще достигне 2 метра, ако се развие. Дължината на спиралата е стотици милиони нуклеотиди.
Как се предава генетичният код?
И така, каква роля играят ДНК молекулите в клетката по време на делене? Гени - носители на наследствена информация - се намират във всяка клетка на тялото. За да предадат своя код на дъщерния организъм, много същества разделят своята ДНК на 2 еднакви спирали. Това се нарича репликация. В процеса на репликация ДНК се размотава и специални „машини“ допълват всяка верига. След като генетичната спирала е раздвоена, ядрото и всички органели започват да се делят, а след това и цялата клетка.
Но човек има различен процес на трансфер на гени - сексуален. Чертите на бащата и майката се смесват, новият генетичен код съдържа информация от двамата родители.
Съхранението и предаването на наследствена информация е възможно поради сложната организация на ДНК спиралата. В крайна сметка, както казахме, структурата на протеините е кодирана в гени. Веднъж създаден по време на зачеването, този код ще се копира през целия си живот. Кариотипът (личен набор от хромозоми) не се променя по време на обновяването на клетъчните органи. Предаването на информация се извършва с помощта на полови гамети - мъжки и женски.
Само вирусите, съдържащи една РНК верига, не са в състояние да предадат своята информация на своите потомци. Следователно, за да се размножават, те се нуждаят от човешки или животински клетки.
Осъществяване на наследствена информация
В клетъчното ядро непрекъснато протичат важни процеси. Цялата информация, записана в хромозомите, се използва за изграждане на протеини от аминокиселини. Но ДНК веригата никога не напуска ядрото, така че тук е необходима помощта на друго важно съединение = РНК. Именно РНК е способна да проникне в ядрената мембрана и да взаимодейства с ДНК веригата.
Чрез взаимодействието на ДНК и 3 вида РНК се реализира цялата кодирана информация. На какво ниво е внедряването на наследствена информация? Всички взаимодействия се осъществяват на нуклеотидно ниво. Messenger RNA копира част от ДНК веригата и пренася това копие в рибозомата. Тук започва синтеза на нова молекула от нуклеотиди.
За да може mRNA да копира необходимата част от веригата, спиралата се разгъва и след завършване на процеса на прекодиране се възстановява отново. Освен това този процес може да протича едновременно от 2 страни на 1 хромозома.
Принципът на допълняемост
Състоят се от 4 нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (Т). Те са свързани с водородни връзки съгласно правилото за допълване. Работите на Е. Чаргаф помогнаха да се установи това правило, тъй като ученият забеляза някои модели в поведението на тези вещества. E. Chargaff откри, че моларното съотношение на аденин към тимин е равно на единица. И по същия начин съотношението на гуанин към цитозин винаги е равно на единица.
Въз основа на неговата работа генетиката формира правило за взаимодействие на нуклеотидите. Правилото за допълване гласи, че аденинът се комбинира само с тимин, а гуанинът с цитозин. По време на декодирането на спиралата и синтеза на нов протеин в рибозомата, това правило на въртене помага бързо да се намери необходимата аминокиселина, която е прикрепена към транспортната РНК.
РНК и нейните видове
Какво представлява наследствената информация? нуклеотиди в двойна верига на ДНК. Какво е РНК? Каква е нейната работа? РНК, или рибонуклеинова киселина, помага да се извлече информация от ДНК, да се декодира и, въз основа на принципа на комплементарност, да се създадат протеини, необходими на клетките.
Общо се изолират 3 вида РНК. Всеки от тях изпълнява стриктно своята функция.
- Информационен (иРНК)или иначе се нарича матрица. Той отива направо в центъра на клетката, в ядрото. Намира в една от хромозомите необходимия генетичен материал за изграждане на протеин и копира една от страните на двойната верига. Копирането се случва отново съгласно принципа на допълване.
- ТранспортПредставлява малка молекула, която има нуклеотидни декодери от едната страна и аминокиселини, съответстващи на основния код от другата страна. Задачата на тРНК е да я достави до „работилницата“, тоест до рибозомата, където тя синтезира необходимата аминокиселина.
- рРНК - рибозомна.Той контролира количеството протеин, което се произвежда. Състои се от 2 части - аминокиселинен и пептиден сайт.
Единствената разлика в декодирането е, че РНК няма тимин. Вместо тимин има урацил. Но след това, в процеса на протеинов синтез, с тРНК, той все още правилно задава всички аминокиселини. Ако има някакви грешки в декодирането на информация, тогава възниква мутация.
Ремонт на повредена молекула на ДНК
Процесът на възстановяване на повредена двойна нишка се нарича ремонт. По време на процеса на възстановяване, повредените гени се отстраняват.
След това необходимата последователност от елементи се възпроизвежда точно и се изрязва на същото място на веригата, откъдето е била извлечена. Всичко това се случва благодарение на специални химикали - ензими.
Защо възникват мутации?
Защо някои гени започват да мутират и спират да изпълняват своята функция - съхранявайки жизненоважна наследствена информация? Това се дължи на грешка при декодиране. Например, ако аденинът случайно бъде заменен с тимин.
Има и хромозомни и геномни мутации. Хромозомните мутации се появяват, когато части от наследствената информация се загубят, дублират или дори прехвърлят и интегрират в друга хромозома.
Геномните мутации са най-сериозните. Причината им е промяна в броя на хромозомите. Тоест, когато вместо двойка - диплоиден набор, в кариотипа присъства триплоиден набор.
Най-известният пример за триплоидна мутация е синдромът на Даун, при който личният набор от хромозоми е 47. При такива деца на мястото на 21-та двойка се образуват 3 хромозоми.
Известна е и мутация като полиплоидия. Но полиплоидията се среща само при растенията.
антикодон, биосинтеза, ген, генетична информация, генетичен код, кодон, матричен синтез, полизома, транскрипция, транслация.
Гени, генетичен код и неговите свойства... На Земята вече живеят над 6 милиарда души. С изключение на 25-30 милиона двойки еднояйчни близнаци, тогава всички хора са генетично различни. Това означава, че всеки от тях е уникален, има уникални наследствени характеристики, черти на характера, способности, темперамент и много други качества. Какво определя такива разлики между хората? Разбира се, разликите в техните генотипове, т.е. набори от гени на даден организъм. Всеки човек е уникален, точно както генотипът на отделно животно или растение е уникален. Но генетичните черти на даден човек са въплътени в протеини, синтезирани в тялото му. Следователно структурата на протеина на един човек се различава, макар и съвсем леко, от протеина на друг човек. Ето защо възниква проблемът с трансплантацията на органи, затова има алергични реакции към храна, ухапвания от насекоми, цветен прашец и др. Това не означава, че хората нямат абсолютно еднакви протеини. Протеините, които изпълняват едни и същи функции, могат да бъдат еднакви или само леко да се различават една или две аминокиселини една от друга. Но на Земята няма хора (с изключение на еднояйчни близнаци), при които всички протеини да са еднакви.
Информацията за първичната структура на протеина се кодира под формата на последователност от нуклеотиди в регион на ДНК молекула - ген. Ген Е единица за наследствена информация на организма. Всяка ДНК молекула съдържа много гени. Съвкупността от всички гени на даден организъм съставлява неговия генотип.
Наследствената информация се кодира с помощта на генетичния код. Кодът е подобен на добре познатия морзов код, който кодира информация с точки и тирета. Морзовата азбука е универсална за всички радиооператори и разликите са само в превода на сигнали на различни езици. Генетичен код също е универсален за всички организми и се различава само в редуването на нуклеотиди, които образуват гени и кодиране на протеини на специфични организми. И така, какъв точно е генетичният код? Първоначално се състои от триплети (триплети) на ДНК нуклеотиди, комбинирани в различна последователност. Например ААТ, ГТС, АЦГ, ТГЦ и др. Всеки триплет от нуклеотиди кодира специфична аминокиселина, която ще бъде вмъкната в полипептидната верига. Например, CGT триплетът кодира аминокиселината аланин, а AAG триплетът кодира фенилаланиновата аминокиселина. Има 20 аминокиселини и 64 възможности за комбинации от четири нуклеотида в групи по 3. Следователно четири нуклеотида са достатъчни, за да кодират 20 аминокиселини. Ето защо една аминокиселина може да бъде кодирана от няколко тройки. Някои от триплетите изобщо не кодират аминокиселини, но започват или спират биосинтезата на протеини. Разглежда се самият код последователност от нуклеотиди в i-RNA молекула, тъй като премахва информацията от ДНК (процес на транскрипция) и я преобразува в последователност от аминокиселини в молекулите на синтезирани протеини (процес на транслация). Съставът и РНК включват нуклеотидите на ACSU. Наричат се триплети на m-РНК нуклеотиди кодони ... Вече цитираните примери за ДНК триплети на m-RNA ще изглеждат по следния начин - CGT триплетът на m-RNA ще се превърне в HCA триплет, а DNA триплетът - AAG - ще стане UUC триплет. Кодоните на m-RNA отразяват генетичния код в записа. И така, генетичният код е триплет, универсален за всички организми на земята, дегенериран (всяка аминокиселина е криптирана с повече от един кодон). Между гените има препинателни знаци - това са тризнаци, наречени стоп кодони. Те сигнализират за края на синтеза на една полипептидна верига. Има таблици на генетичния код, които трябва да можете да използвате, за да дешифрирате i-RNA кодоните и да изградите вериги от протеинови молекули.
Биосинтеза на протеини- Това е един от видовете пластичен метаболизъм, по време на който наследствената информация, кодирана в ДНК гени, се реализира в определена последователност от аминокиселини в протеиновите молекули. Трябва да се реализира генетична информация, взета от ДНК и преведена в кода на i-RNA молекулата, т.е. се проявява в признаците на определен организъм. Тези признаци се определят от протеините. Биосинтезата на протеини се извършва върху рибозомите в цитоплазмата. Тук информационната РНК идва от клетъчното ядро. Ако се извика синтеза на i-RNA върху молекула на ДНК транскрипция, тогава се нарича синтез на протеин върху рибозомите излъчване- превод на езика на генетичния код на езика на последователността на аминокиселините в протеинова молекула. Аминокиселините се доставят до рибозомите чрез транспортни РНК. Тези РНК са във формата на лист от детелина. В края на молекулата има място за свързване на аминокиселина, а отгоре има триплет нуклеотиди, допълващи определен триплет - кодон върху m-РНК. Този триплет се нарича антикодон. В края на краищата той дешифрира i-RNA кода. В клетката винаги има толкова много t-РНК, колкото кодони, кодиращи аминокиселини.
Рибозомата се движи по m-RNA, измествайки се с три нуклеотида, когато се приближава нова аминокиселина, освобождавайки ги за нов антикодон. Аминокиселините, доставени на рибозомите, са ориентирани една спрямо друга, така че карбоксилната група на една аминокиселина е в съседство с аминогрупата на друга аминокиселина. В резултат на това между тях се образува пептидна връзка. Постепенно се образува полипептидна молекула.
Синтезът на протеини продължава, докато на рибозомата се появи един от трите стоп-кодона - UAA, UAH или UGA.
След това полипептидът напуска рибозомата и се изпраща в цитоплазмата. Върху една молекула на i-РНК има няколко образуващи се рибозоми полизом... Именно върху полизомите е едновременният синтез на няколко същотополипептидни вериги.
Всеки етап на биосинтеза се катализира от съответния ензим и се захранва с енергията на АТФ.
Биосинтезата се случва в клетките с огромна скорост. В тялото на висшите животни за една минута се образуват до 60 хиляди пептидни връзки.
Реакции на матричен синтез... Реакциите на матричен синтез включват репликацияДНК, синтез на i-RNA върху ДНК ( транскрипция) и синтеза на протеин върху i-РНК ( излъчване), както и синтеза на РНК или ДНК върху РНК на вируси.
ДНК репликация... Структурата на ДНК молекулата, установена от Дж. Уотсън и Ф. Крик през 1953 г., отговаря на изискванията, наложени на пазещия молекулата и предавателя на наследствената информация. ДНК молекулата се състои от две взаимно допълващи се вериги. Тези вериги се държат заедно чрез слаби водородни връзки, които могат да бъдат разрушени от ензимите.
Молекулата е способна на самоудвояване (репликация) и нова половина от нея се синтезира на всяка стара половина на молекулата. В допълнение, молекула i-RNA може да бъде синтезирана върху молекула на ДНК, която след това прехвърля информацията, получена от ДНК, на мястото на синтеза на протеини. Трансферът на информация и синтезът на протеини се основават на матричен принцип, сравним с работата на печатната машина в печатница. Информацията от ДНК се копира многократно. Ако по време на копиране възникнат грешки, те ще бъдат повторени във всички следващи копия. Вярно е, че някои грешки при копиране на информация от ДНК молекула могат да бъдат коригирани. Този процес на възстановяване на грешки се нарича репарации... Първата от реакциите в процеса на предаване на информация е репликацията на ДНК молекулата и синтеза на нови ДНК вериги.
Репликация- Това е процесът на самоудвояване на ДНК молекулата, осъществяван под контрола на ензимите. На всяка от ДНК веригите, образувани след скъсване на водородните връзки, с участието на ензима ДНК полимераза се синтезира дъщерна верига ДНК. Материалът за синтез са свободни нуклеотиди, присъстващи в цитоплазмата на клетките.
Биологичното значение на репликацията се състои в точния трансфер на наследствена информация от майчината молекула към дъщерните, което обикновено се случва по време на деленето на соматичните клетки.
Транскрипцията е процес на премахване на информация от ДНК молекула, синтезирана върху нея от i-RNA молекула. Messenger РНК се състои от една верига и се синтезира върху ДНК в съответствие с правилото за комплементарност. Както при всяка друга биохимична реакция, в този синтез участва ензим. Той активира началото и края на синтеза на i-RNA молекулата. Готовата i-RNA молекула навлиза в цитоплазмата върху рибозомите, където се получава синтез на полипептидни вериги. Процесът на транслиране на информация, съдържаща се в нуклеотидна последователност на m-RNA в аминокиселинна последователност в полипептид, се нарича излъчване .
ПРИМЕРИ ЗА ЗАДАЧИ
Част А
А1. Кое твърдение е погрешно?
1) генетичният код е универсален
2) генетичният код е дегенериран
3) генетичният код е индивидуален
4) генетичният код е триплет
А2. Един ДНК триплет кодира:
1) последователността на аминокиселините в протеин
2) един признак на организъм
3) една аминокиселина
4) няколко аминокиселини
A3. „Препинателни знаци“ на генетичния код
1) задейства синтеза на протеин
2) спиране на протеиновия синтез
3) кодиране на определени протеини
4) кодиране на група аминокиселини
A4. Ако при жаба аминокиселината VALIN е кодирана от триплета GUU, то при куче тази аминокиселина може да бъде кодирана от триплети (виж таблицата):
1) GUA и GUG 3) CUC и CUA
2) UCA и UCA 4) UAG и UGA
A5. В момента синтезът на протеини е завършен
1) разпознаване на кодон от антикодон
2) доставката на i-РНК на рибозомите
3) появата на "пунктуационен знак" върху рибозомата
4) свързване на аминокиселини към t-РНК
A6. Посочете чифт клетки, в които един човек съдържа различна генетична информация?
1) чернодробни и стомашни клетки
2) неврон и левкоцит
3) мускулни и костни клетки
4) езикова клетка и яйцеклетка
A7. Функция на i-РНК в процеса на биосинтеза
1) съхраняване на наследствена информация
2) транспорт на аминокиселини до рибозоми
3) трансфер на информация към рибозоми
4) ускоряване на процеса на биосинтез
A8. Антикодон t-РНК се състои от UCH нуклеотиди. Какъв ДНК триплет е допълващ към него?
1) TCG 2) UUG 3) TTTS 4) CCH
Част Б
В 1. Установете съответствие между характеристиката на процеса и неговото име
Част В
С1. Посочете последователността на аминокиселините в протеинова молекула, кодирана от следната кодонова последователност: UUA - AUU - HCU - GHA
С2. Избройте всички стъпки в биосинтеза на протеини.
Клетката е генетична единица на живо същество. Хромозоми, тяхната структура (форма и размер) и функции. Броят на хромозомите и тяхното видово постоянство. Особености на соматичните и зародишните клетки. Клетъчен жизнен цикъл: интерфаза и митоза. Митозата е разделяне на соматични клетки. Мейоза. Фази на митоза и мейоза. Развитието на зародишни клетки при растения и животни. Прилики и разлики между митозата и мейозата, тяхното значение. Клетъчното делене е основата за растежа, развитието и размножаването на организмите. Ролята на мейозата в осигуряването на постоянството на броя на хромозомите в поколенията
Термини и понятия, тествани в изпитната работа: анафаза, гамета, гаметогенеза, клетъчно делене, клетъчен жизнен цикъл, зигота, интерфаза, конюгация, пресичане, мейоза, метафаза, овогенеза, тестис, сперма, спора, телофаза, яйчник, структура и функция на хромозомите.
Хромозоми- клетъчни структури, които съхраняват и предават наследствена информация. Хромозомата се състои от ДНК и протеин. Комплексът от протеини, свързани с ДНК форми хроматин... Протеините играят важна роля при опаковането на ДНК молекулите в ядрото. Структурата на хромозомата се вижда най-добре в метафазата на митозата. Това е пръчковидна структура и се състои от две сестри хроматидидържана от центромерата в района първично свиване... Нарича се диплоиден набор от хромозоми на организма кариотип ... Под микроскопа може да се види, че хромозомите имат напречни ивици, които се редуват в различни хромозоми по различен начин. Двойките на хромозомите се разпознават, като се вземе предвид разпределението на светли и тъмни ивици (редуване на AT и GC - двойки). Хромозомите на представители на различни видове имат напречна ивица. Сродни видове, като хора и шимпанзета, имат подобен модел на ивичест израстък в хромозомите.
Всеки тип организъм има постоянен брой, форма и състав на хромозомите. В човешкия кариотип има 46 хромозоми - 44 автозоми и 2 полови хромозоми. Мъжете са хетерогаметични (полови хромозоми XY), а женските са хомогаметични (полови хромозоми XX). Y хромозомата се различава от X хромозомата по липсата на някои алели. Например, на Y хромозомата няма алел за коагулация. В резултат на това хемофилията обикновено засяга само момчета. Хромозомите от една двойка се наричат хомоложни. Хомоложните хромозоми в едни и същи локуси (места) носят алелни гени.
Клетъчен жизнен цикъл. Междуфазна. Митоза. Клетъчен жизнен цикъл- това е периодът от живота й от разделение до разделение. Клетките се умножават чрез удвояване на съдържанието им и след това разделяне на две. Клетъчното делене е в основата на растежа, развитието и регенерацията на тъканите в многоклетъчния организъм. Клетъчен цикълподразделено на междуфазна, придружени от точното копиране и разпространение на генетичен материал и митоза- действителното клетъчно делене след удвояване на други клетъчни компоненти. Продължителността на клетъчните цикли при различни видове, в различни тъкани и на различни етапи варира в широки граници от един час (в ембриона) до една година (в чернодробните клетки на възрастен).
Междуфазна- периодът между две разделения. През този период клетката се подготвя за делене. Количеството ДНК в хромозомите се удвоява. Броят на останалите органели се удвоява, синтезират се протеини и най-активните от тях са тези, които образуват вретеното на делене, клетката расте.
До края на интерфазата всяка хромозома се състои от две хроматиди, които по време на митозата ще станат независими хромозоми.
Митоза- Това е форма на разделяне на клетъчното ядро. Следователно се среща само в еукариотните клетки. В резултат на митозата, всяко от образуваните дъщерни ядра получава същия набор от гени, които родителската клетка е имала. Както диплоидните, така и хаплоидните ядра могат да навлязат в митоза. По време на митозата се получават ядра със същата плоидност като оригинала. Митозата се състои от няколко последователни фази.
Профаза... Удвоените центриоли се разминават към различни полюси на клетката. От тях микротубулите се простират до центромерите на хромозомите, образувайки делително вретено. Хромозомите са удебелени и всяка хромозома е съставена от две хроматиди.
Метафаза... В тази фаза хромозомите са ясно видими, състоящи се от две хроматиди. Те се подреждат по екватора на клетката, образувайки метафазна плоча.
Анафаза... Хроматидите пътуват до полюсите на клетката със същата скорост. Микротубулите са скъсени.
Телофаза... Дъщерните хроматиди се доближават до полюсите на клетката. Микротубулите изчезват. Хромозомите се деспирализират и отново стават нишковидни. Образуват се ядрената обвивка, ядрото, рибозомите.
Цитокинеза- процесът на отделяне на цитоплазмата. Клетъчната мембрана в централната част на клетката се изтегля навътре. Образува се жлеб за разделяне, когато се задълбочава, клетката се раздвоява.
В резултат на митозата се образуват две нови ядра с идентични набори хромозоми, които точно копират генетичната информация на ядрото на майката.
В туморните клетки ходът на митозата се нарушава.
ПРИМЕРИ ЗА ЗАДАЧИ
Част А
А1. Хромозомите са съставени от
1) ДНК и протеин 3) ДНК и РНК
2) РНК и протеин 4) ДНК и АТФ
А2. Колко хромозоми съдържа човешката чернодробна клетка?
1) 46 2) 23 3) 92 4) 66
A3. Колко вериги на ДНК има удвоената хромозома?
1) един 2) два 3) четири 4) осем
A4. Ако човешката зигота съдържа 46 хромозоми, тогава колко хромозоми има в човешката яйцеклетка?
1) 46 2) 23 3) 92 4) 22
A5. Какво е биологичното значение на дублирането на хромозоми в интерфазата на митозата?
1) В процеса на удвояване наследствената информация се променя
2) Удвоените хромозоми са по-видими
3) В резултат на удвояване на хромозомите наследствената информация на новите клетки остава непроменена
4) В резултат на удвояване на хромозомите новите клетки съдържат двойно повече информация
A6. В коя от фазите на митозата хроматидите се отклоняват към полюсите на клетката? IN:
1) профаза 3) анафаза
2) метафаза 4) телофаза
A7. Посочете процесите, протичащи във фазата
1) разминаването на хромозомите с полюсите на клетката
2) синтез на протеини, репликация на ДНК, клетъчен растеж
3) образуването на нови ядра, клетъчни органели
4) деспирализация на хромозомите, образуване на вретеното на разделяне
A8. В резултат на митоза,
1) генетично разнообразие на видовете
2) образуването на гамети
3) кръстосване на хромозоми
4) покълване на спори от мъх
A9. Колко хроматиди има всяка хромозома, преди да се удвои?
1) 2 2) 4 3) 1 4) 3
A10. В резултат на митоза,
1) зигота в сфагнум
2) летят сперма
3) дъбови пъпки
4) слънчогледови яйца
Част Б
В 1. Изберете процесите, протичащи в интерфазата на митозата
1) протеинов синтез
2) намаляване на количеството ДНК
3) клетъчен растеж
4) дублиране на хромозоми
5) несъответствие на хромозомите
6) ядрено делене
В 2. Посочете процесите, които са в основата на митозата
1) мутации 4) образуване на сперматозоиди
2) растеж 5) регенерация на тъканите
3) смачкване на зиготата 6) оплождане
О Т. Установете правилната последователност от фази на клетъчния жизнен цикъл
А) анафаза Б) телофаза Г) метафаза
Б) интерфаза Г) профаза Д) цитокинеза
Част В
С1. Какво е общото между процесите на регенерация на тъканите, растежа на организма и разцепването на зиготата?
С2. Какво е биологичното значение на дублирането на хромозома и количеството ДНК в интерфазата?
Мейоза... Мейозата е процес на разделяне на клетъчните ядра, водещ до намаляване на броя на хромозомите наполовина и образуване на гамети. В резултат на мейозата от една диплоидна клетка (2n) се образуват четири хаплоидни клетки (n).
Мейозата се състои от две последователни деления, които са предшествани от единична репликация на ДНК в интерфазата.
Основните събития от профазата на първото мейотично разделение са както следва:
- хомоложните хромозоми се обединяват по цялата си дължина или, както се казва, конюгират. При конюгиране се образуват хромозомни двойки - биваленти;
- в резултат на това се образуват комплекси, състоящи се от две хомоложни хромозоми или от четири хроматиди (помислете, за какво е?);
- в края на профазата се получава кръстосване (кръстосване) между хомоложни хромозоми: хромозомите обменят хомоложни области помежду си. Преминаването осигурява разнообразна генетична информация, която децата получават от родителите си.
В метафаза I хромозоми се подреждат по екватора на делителното вретено. Центромерите са обърнати към полюсите.
Анафаза I - нишките на вретеното се свиват, хомоложни хромозоми, състоящи се от две хроматиди, се разминават до полюсите на клетката, където се образуват хаплоидни комплекти хромозоми (2 комплекта на клетка). На този етап се появяват хромозомни рекомбинации, които увеличават степента на вариабилност на потомството.
Телофаза I - клетки с хаплоиден набор от хромозомии удвоете количеството ДНК. Оформя се ядрена обвивка. Всяка клетка съдържа 2 сестрински хроматиди, свързани с центромера.
Второто разделение на мейозата се състои от профаза II, метафаза II, анафаза II, телофаза II и цитокинеза.
Биологичното значение на мейозатасе състои в образуването на клетки, участващи в половото размножаване, в поддържането на генетичното постоянство на видовете, както и в спорообразуването във висшите растения. Спорите на мъхове, папрати и някои други групи растения се образуват по мейотичния път. Мейозата служи като основа за комбинативната променливост на организмите. Нарушенията на мейозата при хората могат да доведат до патологии като болест на Даун, идиотизъм и др.
- ДНК - матрица за синтез на протеини
- Удвояване на ДНК. Образуване на i-RNA.
- Генетичен код и неговите свойства.
1. ДНК- матрица за протеинов синтез... Как тогава в червените кръвни клетки на здрав човек се образуват милиони идентични молекули хемоглобин, като правило, без нито една грешка в подреждането на аминокиселините? Защо всички молекули на хемоглобина имат една и съща грешка на едно и също място в еритроцитите на сърповидно-клетъчни пациенти с анемия?
За да отговорите на тези въпроси, разгледайте примера на типографията. Учебникът, който държите в ръцете си, е публикуван в тираж Pкопия. Всичко Pкнигите се отпечатват от един шаблон - типографска матрица, така че те са абсолютно еднакви. Ако в матрицата се бе прокраднала грешка, тя щеше да бъде възпроизведена във всички копия. Ролята на матрикса в клетките на живите организми се играе от ДНК молекули. ДНК на всяка клетка носи информация не само за структурните протеини, които определят формата на клетката (не забравяйте еритроцитите), но и за всички протеини-ензими, протеини-хормони и други протеини.
Въглехидратите и липидите се образуват в клетката в резултат на сложни химични реакции, всяка от които се катализира от собствения си ензимен протеин. Притежавайки информация за ензимите, ДНК програмира структурата на други органични съединения, а също така контролира процесите на техния синтез и разцепване.
Тъй като ДНК молекулите са образци за синтеза на всички протеини, ДНК съдържа информация за структурата и активността на клетките, за всички характеристики на всяка клетка и организма като цяло.
Всеки протеин е представен от една или повече полимерни вериги. Наречен е участък от ДНК молекула, който служи като шаблон за синтеза на една полипептидна верига, т.е. в повечето случаи един протеин. геном.Всяка ДНК молекула съдържа много различни гени. Цялата информация, съдържаща се в молекулите на ДНК, се нарича генетична.Идеята, че генетичната информация се записва на молекулярно ниво и че протеините се синтезират съгласно принципа на матрицата, е формулирана за първи път през 20-те години на ХХ век от изключителния руски биолог Н. К. Колцов.
2. Удвояване на ДНК.ДНК молекулите имат удивително свойство, което не е присъщо на никоя друга известна молекула - способността да се дублират. Какъв е процесът на удвояване? Ще си спомните, че ДНК двойната спирала е изградена на принципа на комплементарност. Същият принцип лежи в основата на удвояването на молекулите на ДНК. С помощта на специални ензими водородните връзки, които държат ДНК веригите заедно, се разкъсват, нишките се разминават и комплементарни нуклеотиди са последователно прикрепени към всеки нуклеотид на всяка от тези вериги. Разминаващите се вериги на оригиналната (родителска) ДНК молекула са шаблон - те определят реда на нуклеотидите в новосинтезираната верига. В резултат на действието на сложен набор от ензими нуклеотидите се комбинират помежду си. В този случай се образуват нови вериги на ДНК, допълващи всяка от разклонените вериги. По този начин, в резултат на удвояване се създават две двойни спирали на ДНК (дъщерни молекули), всяка от тях има една верига, получена от родителската молекула, и една верига, синтезирана отново.
Дъщерните ДНК молекули не се различават една от друга и от родителската молекула. Когато клетката се раздели, дъщерните молекули на ДНК се разминават в две клетки, които се образуват, като всяка от тях в резултат ще има същата информация, която се съдържа в майчината клетка. Тъй като гените са раздели на ДНК молекули, двете дъщерни клетки, образувани по време на деленето, имат едни и същи гени.
Всяка клетка на многоклетъчен организъм възниква от една зародишна клетка в резултат на множество деления, така че всички клетки в тялото имат еднакъв набор от гени. Случайна грешка в гена на зародишната клетка ще бъде възпроизведена в гените на милиони нейни потомци. Ето защо всички еритроцити на сърповидно-клетъчен пациент имат един и същ „развален” хемоглобин. Децата с анемия получават „увредения” ген от родителите си чрез своите зародишни клетки. Информацията, съдържаща се в ДНК на клетките (генетична информация), се предава не само от клетка на клетка, но и от родители на деца. Генът е генетична единица,или наследствен, информационен.
Трудно е, разглеждайки типографска матрица, да се прецени дали от нея ще бъде отпечатана добра или лоша книга. Също така е невъзможно да се прецени качеството на генетичната информация по това дали потомците са наследили "добър" или "лош" ген, докато протеините не се изграждат въз основа на тази информация и не се развие цял организъм.
Образуване на i-RNA.Към рибозомите, местата на синтеза на протеин, медиаторът, пренасящ информация, който може да премине през порите на ядрената обвивка, идва от ядрото. Този медиатор е пратеник РНК (i-RNA). Това е едноверижна молекула, допълваща една верига на ДНК молекулата. Специален ензим - полимераза, движещ се по ДНК, селектира нуклеотиди според принципа на комплементарност и ги свързва в една верига (фиг. 21). Процесът на образуване на i-RNA се нарича транскрипция(от латински "транскрипция" - пренаписване). Ако има тимин в ДНК веригата, тогава полимеразата включва аденин във i-РНК веригата, ако има гуанин, тя включва цитозин, ако аденин, то урацил (РНК не включва тимин).
На дължина всяка от m-РНК молекулите е стотици пъти по-къса от ДНК. Информационната РНК не е копие на цялата молекула на ДНК, а само част от нея, един ген или група съседни гени, които носят информация за структурата на протеините, необходима за изпълнението на една функция. При прокариотите тази група гени се нарича оперон.В началото на всяка група гени е един вид място за кацане на полимераза, наречено промоутър.Това е специфична последователност от ДНК нуклеотиди, която ензимът „разпознава” поради своя химичен афинитет. Само чрез свързване към промотора, полимеразата е в състояние да започне синтеза на i-RNA. В края на група гени ензимът среща сигнал (под формата на определена последователност от нуклеотиди), което означава края на пренаписването. Готова m-РНК напуска ДНК, напуска ядрото и отива на мястото на синтеза на протеини - рибозомата, разположена в цитоплазмата на клетката.
В клетката генетичната информация се предава чрез транскрипция от ДНК към протеин:
ДНК и РНК протеин.
3. Генетичен код -определени комбинации от нуклеотиди, които носят информация за структурата на протеина и последователността на тяхното местоположение в молекулата на ДНК. \
Генът е участък от ДНК молекула, който носи информация за структурата на една протеинова молекула.
Свойства на генетичния код:
- тройност - една аминокиселина е кодирана от три съседни нуклеотида - триплет или кодон;
- гъвкавост - кодът е един и същ за всичко живо на Земята (за мъх, бор, амеба, човек, щраус и др., същите триплети кодират едни и същи аминокиселини);
- дегенерация - няколко тройки (от две до шест) могат да съответстват на една аминокиселина. Изключение правят аминокиселините метионин и триптофан, всяка от които е кодирана само от един триплет (метионинът е кодиран от AUG триплета);
- специфичност - всеки триплет кодира само една аминокиселина.
Триплетите GAA или GAG, които заемат шесто място в гена на здрави хора, носят информация за хемоглобиновата верига, кодираща глутаминова киселина. При пациенти със сърповидно-клетъчна анемия вторият нуклеотид се замества с Y, а триплетите GUA и GUG кодират валин;
- не се припокриват - кодоните на един ген не могат едновременно да влязат в съседния;
- приемственост- в рамките на един ген четенето на генетична информация се извършва в една посока.
Генетичната информация е кодирана в ДНК. Генетичният код е открит от M. Nirenberg и H.G. Коран, за което през 1968 г. са отличени с Нобелова награда.
Генетичен код- система за подреждане на нуклеотиди в молекули на нуклеинова киселина, която контролира последователността на подреждането на аминокиселини в полипептидна молекула.
Основни постулати на кода:
1) Генетичният код е триплет. I-RNA триплетът се нарича кодон. Кодонът кодира една аминокиселина.
2) Генетичният код е дегенериран. Една аминокиселина е кодирана с повече от един кодон (2 до 6). Изключение правят метионинът и триптофанът (AUG, GUG). При кодоните за една аминокиселина първите два нуклеотида най-често са еднакви, докато третият варира.
3) Кодоните не се припокриват. Нуклеотидната последователност се чете в една посока подред, триплет по триплет.
4) Кодът е недвусмислен. Кодонът кодира специфична аминокиселина.
5) AUG е стартов кодон.
6) В гена - стоп кодони няма препинателни знаци: UAG, UAA, UGA.
7) Генетичният код е универсален, той е един и същ за всички организми и вируси.
Разкриването на структурата на ДНК, материалният носител на наследствеността, допринесе за решаването на много въпроси: възпроизвеждането на гени, естеството на мутациите, биосинтеза на протеини и т.н.
Механизмът на предаване на генетичния код допринесе за развитието на молекулярната биология, както и генното инженерство, генната терапия.
ДНК се намира в ядрото и е част от хроматина, както и митохондриите, центрозомите, пластидите и РНК - в ядрата, цитоплазмената матрица, рибозомите.
Носителят на наследствена информация в клетката е ДНК, а РНК се използва за предаване и внедряване на генетична информация в про- и еукариоти. С помощта на i-RNA протича процесът на превръщане на ДНК нуклеотидната последователност в полипептид.
При някои организми, освен ДНК, носителят на наследствена информация може да бъде и РНК, например вирусите на тютюневата мозайка, полиомиелит, СПИН.
Мономерите на нуклеиновата киселина са нуклеотиди. Установено е, че в хромозомите на еукариотите гигантска двуверижна ДНК молекула се образува от 4 вида нуклеотиди: аденил, гуанил, тимидил, цитозил. Всеки нуклеотид се състои от азотна основа (пурин G + A или пиримидин C + T), дезоксирибоза и остатък от фосфорна киселина.
Анализирайки ДНК от различен произход, Чаргаф формулира законите на количественото съотношение на азотни основи - Правилата на Chargaff.
а) количеството аденин е равно на количеството тимин (А = Т);
б) количеството гуанин е равно на количеството цитозин (G = C);
в) броят на пурините е равен на броя на пиримидините (G + A = C + T);
г) броят на основите с 6-амино групи е равен на броя на основите с 6-кето групи (A + C = G + T).
В същото време съотношението на основите A + T \ G + C е строго специфичен за вида коефициент (за хората - 0,66; мишките - 0,81; бактериите - 0,41).
През 1953 г. биолог Дж. Уотсъни физик Ф. Крикбеше предложен пространствен молекулярен модел на ДНК.
Основните постулати на модела са следните:
1. Всяка ДНК молекула се състои от две дълги антипаралелни полинуклеотидни вериги, образуващи двойна спирала, усукана около централната ос (дясна ръка - В-форма, лява ръка - Z-форма, открита от А. Рич в края на 70-те).
2. Всеки нуклеозид (пентоза + азотна основа) е разположен в равнина, перпендикулярна на оста на спиралата.
3. Две полинуклеотидни вериги се държат заедно чрез водородни връзки, образувани между азотни основи.
4. Сдвояването на азотни основи е строго специфично, пуриновите основи се комбинират само с пиримидиновите: AT, G-C.
5. Последователността на основите на едната верига може да варира значително, но азотните основи на другата верига трябва да бъдат стриктно допълващи ги.
Полинуклеотидните вериги се образуват от ковалентни връзки между съседни нуклеотиди чрез остатък от фосфорна киселина, който свързва въглерода в петата позиция на захарта с третия въглерод на съседния нуклеотид. Веригите са насочени: началото на веригата е 3 "ОН - в третата позиция на дезоксирибозния въглерод е прикрепена хидроксилната група ОН, краят на веригата е 5" F, остатъкът от фосфорната киселина е прикрепен към петата въглерод от дезоксирибоза.
Автосинтетичната функция на ДНК е репликация - авторепродукция. Тиражирането се основава на принципите на полуконсерватизъм, антипаралелизъм, взаимно допълване и прекъсване. Наследствената информация за ДНК се реализира в резултат на репликация по вида на синтеза на матрицата. Той протича на етапи: свързване, иницииране, удължаване, прекратяване. Процесът се ограничава до S-периода на интерфазата. Ензимът ДНК полимераза използва едноверижна ДНК като шаблон и в присъствието на 4 нуклеотида, праймер (РНК), изгражда втора ДНК верига.
Синтезът на ДНК се извършва съгласно принципа на комплементарност. Между нуклеотидите на ДНК веригата се образуват фосфодиестерни връзки, поради съединенията от 3 "ОН групата на последния нуклеотид с 5" -фосфата на следващия нуклеотид, който трябва да се присъедини към веригата.
Има три основни типа репликация на ДНК: консервативна, полуконсервативна, дисперсна.
Консервативен - запазване целостта на оригиналната двуверижна молекула и синтез на дъщерна двуверижна молекула. Половината от дъщерните молекули са изградени изцяло от нов материал, а половината от старата майка.
Полуконсервативен - ДНК синтезът започва с привързването към произхода на репликацията на хеликазния ензим, който размотава ДНК участъци. Всяка от нишките е прикрепена към ДНК свързващ протеин (DSB), което им пречи да се присъединят. Единицата за репликация е репликонът - това е участъкът между две точки от началото на синтеза на детски вериги. Взаимодействието на ензимите с произхода на репликацията се нарича иницииране. Тази точка се движи по веригата (3 "OH → 5" F) и се образува репликативна вилица.
Синтезът на нова верига протича периодично с образуването на фрагменти с дължина 700-800-2000 нуклеотидни остатъци. Има начална и крайна точка за репликация. Репликонът се движи по молекулата на ДНК и разгръща новите си участъци. Всяка от майчините вериги е матрица за дъщерята, която се синтезира съгласно принципа на комплементарност. В резултат на последователни нуклеотидни връзки ДНК веригата се удължава (етап на удължаване) с помощта на ДНК лигазния ензим. Когато се достигне желаната дължина на молекулата, синтезът спира - прекратяване. Еукариотите имат хиляди репликативни вилици, работещи наведнъж. При прокариотите инициирането се случва в една точка на ДНК пръстена, докато две репликативни вилици се движат в 2 посоки. В точката, където се срещат, двете верижни ДНК молекули са прекъснати.
Разпръснато - разпадането на ДНК на нуклеотидни фрагменти, новата двуверижна ДНК се състои от спонтанно набрани нови и родителски фрагменти.
Еукариотната ДНК е структурно подобна на прокариотната ДНК. Разликите се отнасят до: количеството на ДНК по гени, дължината на молекулата на ДНК, реда на редуване на нуклеотидни последователности, формата на сгъване (при еукариотите - линейни, при прокариотите - кръгови).
Еукариотите се характеризират с излишък на ДНК: количеството на неговата ДНК, участваща в кодирането, е само 2%. Част от излишната ДНК е представена от едни и същи набори от нуклеотиди, повторени многократно (повторения). Разграничаване на множество и умерено повтарящи се последователности. Те образуват конститутивен хетерохроматин (структурен). Той е вграден между уникални последователности. Излишните гени имат 10 4 копия.
Метафазна хромозома (спирализираният хроматин) се състои от две хроматиди. Формата се определя от наличието на първично свиване - центромера. Той разделя хромозомата на 2 рамена.
Местоположението на центромерата определя основните форми на хромозоми:
Метацентричен,
Субметацентричен,
Акроцентричен,
Bodycentric.
Степента на хромозомна спирализация не е еднаква. Наричат се области на хромозоми със слаба спирализация еухроматин. Това е зона с висока метаболитна активност, където ДНК е съставена от уникални последователности. Силна спирална зона - хетерохроматичен сайт, способен на транскрипция. Разграничаване конститутивен хетерохроматин-генетичен инертен, не съдържа гени, не преминава в еухроматин, както и по избор, който може да се превърне в активен еухроматин. Крайните участъци на дисталните хромозоми се наричат теломери.
Хромозомите се класифицират в автозоми (соматични клетки) и хетерохромозоми (зародишни клетки).
По предложение на Левицки (1924) диплоидният набор от соматични хромозоми на клетката е наречен кариотип. Характеризира се с броя, формата, размера на хромозомите. За да се опишат хромозомите на кариотипа по предложение на S.G. Навашин те се намират във формата идиограми - систематизиран кариотип. През 1960 г. е предложена Денвърската международна класификация на хромозомите, където хромозомите се класифицират според размера и местоположението на центромерата. В кариотипа на човешка соматична клетка се разграничават 22 двойки автозоми и двойка полови хромозоми. Нарича се наборът от хромозоми в соматичните клетки диплоиден, и в зародишните клетки - хаплоиден (тя е равна на половината от набора от автозоми). В идиограмата на човешкия кариотип хромозомите са разделени на 7 групи, в зависимост от техния размер и форма.
1 - 1-3 големи метацентрични.
2 - 4-5 големи субметацентрични.
3 - 6-12 и Х-хромозомата са средно метацентрични.
4 - 13-15 средни акроцентрични.
5 - 16-18 относително малък мета-субметацентрик.
6 - 19-20 малки метацентрични.
7 - 21-22 и Y-хромозомата са най-малкият акроцентрик.
Според Класификация в Париж хромозомите са разделени на групи според техния размер и форма, както и линейна диференциация.
Хромозомите имат следните свойства (хромозомни правила):
1. Индивидуалност - разликите между нехомологичните хромозоми.
2. Сдвоявания.
3. Постоянство на броя - характерно за всеки вид.
4. Непрекъснатост - способността за възпроизвеждане.
Зареждане ...