Главная > Гормональная контрацепция > Строение и функции ядра клеток эукариот. Клеточная теория. Особенности строения прокариотических и эукариотических клеток. Основные положения современной клеточной теории. Основные структурные компоненты эукариотической клетки


Строение и функции ядра клеток эукариот. Клеточная теория. Особенности строения прокариотических и эукариотических клеток. Основные положения современной клеточной теории. Основные структурные компоненты эукариотической клетки




Эукариоты или ядерные клетки устроены намного сложнее, чем прокариоты. Строение эукариотической клетки направлено на осуществление внутриклеточного метаболизма.

Плазмалемма

Снаружи любая клетка окружена тонкой эластичной плазматической мембраной, которая называется плазмалеммой. В состав плазмалеммы входят органические вещества, описанные в таблице.

Вещества

Особенности

Роль

Фосфолипиды

Соединения фосфора и жиров. Состоят из двух частей - гидрофильной и гидрофобной

Образуют два слоя. Гидрофобные части примыкают друг к другу, гидрофильные смотрят наружу и внутрь клетки

Гликолипиды

Соединения липидов и углеводов. Встроены между фосфолипидами

Принимают и передают сигналы

Холестерин

Жирный спирт. Встроен в гидрофобные части фосфолипидов

Придаёт жёсткость

Два вида - поверхностные (примыкают к липидам) и интегральные (встроены в мембрану)

Различаются структурой и выполняемыми функциями

Рис. 1. Строение плазмалеммы.

Над плазмалеммой клетки растений находится клеточная стенка, в состав которой входит целлюлоза. Она поддерживает форму и ограничивает подвижность клетки. Животная клетка покрыта гликокаликсом, состоящим из различных органических соединений. Главная функция дополнительных покрытий - защита.

Через плазмалемму осуществляется транспорт веществ и передача сигналов посредством встроенных белков.

Ядро

Эукариоты отличаются от прокариотов наличием ядра - мембранной структуры, состоящей из трёх компонентов:

  • двух мембран, имеющих поры;
  • нуклеоплазмы - жидкости, состоящей из хроматина (содержит РНК и ДНК), белка, нуклеиновых кислот, воды;
  • ядрышка - уплотнённого участка нуклеоплазмы.

Рис. 2. Строение ядра.

Ядро контролирует все процессы клетки, а также осуществляет:

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

  • хранение и передачу наследственной информации;
  • образование рибосом;
  • синтез нуклеиновых кислот.

Цитоплазма

В цитоплазме эукариот находятся различные органеллы, осуществляющие метаболизм за счёт постоянного движения цитоплазмы (циклоза). Их описание представлено в таблице строения эукариотической клетки.

Органоиды

Строение

Функции

Эндоплазматическая сеть или эндоплазматический ретикулум (ЭПС или ЭПР)

Состоит из внешней ядерной мембраны. Бывает двух типов - гладкая и шероховатая (с рибосомами)

Синтезирует липиды, гормоны, накапливает углеводы, обезвреживает яды

Рибосома

Немембранная структура, образованная большой и малой субъединицами. Содержит белок и РНК. Находится на ЭПС и в цитоплазме

Синтезирует белок

Комплекс (аппарат) Гольджи

Состоит из мембранных цистерн, заполненных ферментами. Взаимосвязан с ЭПС

Производит секреты, ферменты, лизосомы

Лизосомы

Пузырьки, состоящие из тонкой мембраны и ферментов

Переваривает вещества, попавшие в цитоплазму

Митохондрия

Состоит из двух мембран. Внутренняя образует кристы - складки. Заполнена матриксом, содержащим белки и собственную ДНК

Синтезирует АТФ

Для растительной клетки характерны две особые органеллы, отсутствующие у животных:

  • вакуоль - накапливает органические вещества, воду, поддерживает тургор;
  • пластиды - в зависимости от вида выполняют фотосинтез (хлоропласты), накапливают вещества (лейкопласты), окрашивают цветки и плоды (хромопласты).

В клетках животных (отсутствуют у растений) находится центросома (клеточный центр), собирающая микротрубочки, из которых впоследствии образуются веретено деления, цитоскелет, жгутики и реснички.

Рис. 3. Растительная и животная клетки.

Эукариоты размножаются делением - митозом или мейозом. Митоз (непрямое деление) характерен для всех соматических (неполовых) клеток и одноклеточных ядерных организмов. Мейоз - процесс образования гамет.

Что мы узнали?

Из урока 9 класса биологии узнали кратко о строении и функциях эукариотической клетки. Эукариоты - сложноорганизованные структуры, состоящие из клеточной оболочки, цитоплазмы и ядра. В цитоплазме эукариотической клетки находятся различные органеллы (комплекс Гольджи, ЭПС, лизосомы и т.д.), осуществляющие внутриклеточный метаболизм. Помимо этого для клеток растений характерны вакуоль и пластиды, а для животных - клеточный центр.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 300.

Клетка - элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов , о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные , растения игрибы , состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии , являются одноклеточными организмами . Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии . В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии.

Отличительные признаки растительной и животной клетки

Признаки

Растительная клетка

Животная клетка

Пластиды

Хлоропласты, хромопласты, лейкопласты

Отсутствуют

Способ питания

Автотрофный (фототрофный, хемотрофный)

Синтез АТФ

В хлоропластах, митохондриях

В митохондриях

Расщепление АТФ

В хлоропластах и всех частях клетки, где необходимы затраты энергии

Во всех частях клетки, где необходимы затраты энергии

Клеточный центр

У низших растений

Во всех клетках

Целлюлозная клеточная стенка

Расположена снаружи от клеточной мембраны

Отсутствует

Включения

Запасные питательные вещества в виде зёрен крахмала, белка, капель масла; вакуоли с клеточным соком; кристаллы солей

Запасные питательные вещества в виде зёрен и капель (белки, жиры, углеводы, гликоген) ; конечные продукты обмена, кристаллы солей, пигменты

Крупные полости, заполненные клеточным соком - водным раствором различных веществ (запасные или конечные продукты). Осмотические резервуары клетки.

Сократительные, пищеварительные, выделительные вакуоли. Обычно мелкие.

Общие признаки 1. Единство структурных систем - цитоплазмы и ядра. 2. Сходство процессов обмена веществ и энергии. 3. Единство принципа наследственного кода. 4. Универсальное мембранное строение. 5. Единство химического состава. 6. Сходство процесса деления клеток.

Строение клеток

Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:

    прокариоты(доядерные) - более простые по строению и возникли в процессеэволюциираньше;

    эукариоты(ядерные) - более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, илиплазмалеммой. Внутри клетка заполненацитоплазмой, в которой расположены различныеорганоидыиклеточные включения, а также генетический материал в виде молекулыДНК. Каждый изорганоидовклетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Строение типичной клетки прокариот: капсула , клеточная стенка , плазмолемма , цитоплазма ,рибосомы , плазмида , пили , жгутик ,нуклеоид .

Прокариоты (от лат. pro - перед, до и греч. κάρῠον - ядро , орех) - организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий ). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекула ДНК , в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид ) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина ). К прокариотам относятсябактерии , в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи . Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток - митохондрии и пластиды . Основное содержимое клетки, заполняющее весь её объём, - вязкая зернистая цитоплазма.

Эукариотическая клетка

Эукариоты - организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром , отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят ) комплекс с белками-гистонами , называемый хроматином . В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть , аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты -прокариоты - митохондрии , а у водорослей и растений - также и пластиды .

Строение эукариотической клетки

Схематическое изображение животной клетки. (При нажатии на какое-либо из названий составных частей клетки, будет осуществлён переход на соответствующую статью.)

Поверхностный комплекс животной клетки

Состоит из гликокаликса, плазмалеммы и расположенного под ней кортикального слоя цитоплазмы . Плазматическая мембрана называется также плазмалеммой, наружной клеточной мембраной. Это биологическая мембрана, толщиной около 10 нанометров. Обеспечивает в первую очередь разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Кроме этого она выполняет транспортную функцию . На сохранение целостности своей мембраны клетка не тратит энергии: молекулы удерживаются по тому же принципу, по которому удерживаются вместе молекулы жира - гидрофобным частям молекул термодинамически выгоднее располагаться в непосредственной близости друг к другу. Гликокаликс представляет собой «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции. Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в неё молекулами белков, в частности, поверхностных антигенов ирецепторов. В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета - упорядоченные определённым образомактиновые микрофиламенты. Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращениепсевдоподий. При этом микрофиламенты перестраиваются, удлиняются или укорачиваются. От структуры цитоскелета кортикального слоя зависит также форма клетки (например, наличиемикроворсинок).

Любая клетка представляет собой систему: все ее компоненты взаимосвязаны, взаимозависимы и взаимодействуют друг с другом; нарушение деятельности одного из элементов данной системы ведет к изменениям и нарушениям работы всей системы.

Совокупность клеток образует ткани , различные ткани образуют органы , а органы, взаимодействуя и выполняя общую функцию, образуют системы органов .

Любая система обладает определенной структурой, уровнем сложности и основана на взаимодействии элементов, которые ее составляют.

Особенности строения эукариотических и прокариотических клеток:

Строение эукариотических клеток.




Функции эукариотических клеток .

Клетки одноклеточных организмов осуществляют все функции, характерные для живых организмов – обмен веществ, рост, развитие, размножение; способны к адаптации.

Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению, в зависимости от выполняемых ими функций. Эпителиальные, мышечные, нервные, соединительные ткани формируются из специализированных клеток.

Тематические задания

А1. К прокариотическим организмам относится

1) бацилла

4) вольвокс

А2. Клеточная мембрана выполняет функцию

1) синтеза белка

2) передачи наследственной информации

3) фотосинтеза

4) фагоцитоза и пиноцитоза

А3. Укажите пункт, в котором строение названной клетки совпадает с ее функцией

1) нейрон – сокращение

2) лейкоцит – проведение импульса

3) эритроцит – транспорт газов

4) остеоцит – фагоцитоз

А4. Клеточная энергия вырабатывается в

1) рибосомах

2) митохондриях

4) аппарате Гольджи

А5. Исключите из предложенного списка лишнее понятие

1) лямблия

2) плазмодий

3) инфузория

4) хламидомонада

А6. Исключите из предложенного списка лишнее понятие

1) рибосомы

2) митохондрии

3) хлоропласты

4) крахмальные зерна

А7. Хромосомы клетки выполняют функцию

1) биосинтеза белка

2) хранения наследственной информации

3) формирования лизосом

4) регуляции обмена веществ

В1. Выберите из предложенного списка функции хлоропластов

1) образование лизосом

2) синтез глюкозы

3) синтез РНК

4) синтез АТФ

5) выделение кислорода

6) клеточное дыхание

В2. Выберите особенности строения митохондрий

1) окружены двойной мембраной

3) есть кристы

4) наружная мембрана складчатая

5) окружены одинарной мембраной

6) внутренняя мембрана богата ферментами

Клетки, имеющие ядерное строение, называются ядерными или эукариотическими клетками. Большинство животных и растений - эукариоты.

Происхождение

Существует три теории происхождения эукариот:

  • симбиогенез;
  • инвагинагенез;
  • химерная теория.

Согласно симбиотической теории происхождения эукариоты возникли путём поглощения прокариот более крупными прокариотами. Этим объясняется нахождение наполовину автономных органелл (содержат ДНК) - митохондрий и пластид.

Инвагинационная теория предполагает, что эукариоты возникли путём впячивания мембраны внутрь прокариотической клетки. Из отделившихся пузырьков сформировались различные органеллы.

Химерное образование эукариот - слияние нескольких прокариот. Слившиеся клетки обменивались генетической информацией.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

Мембрана

Снаружи находится плазматическая мембрана эукариотической клетки или плазмалемма, которая осуществляет выборочную взаимосвязь органелл с внешней средой. Поверхностная мембрана имеет жидко-мозаичную структуру, образованную :

  • двумя слоями липидов (внешним и внутренним);
  • белками (60 % мембраны).

Липиды имеют гидрофильные головки и гидрофобные хвостики, которые обращены внутрь мембраны. Липиды плотно прилегают друг к другу, что обеспечивает мембране эластичность. Жёсткость придаёт встроенный в хвостики холестерин. Липиды защищают и ограничивают клетку.

Белки могут находиться на поверхности мембраны или быть интегрированными в неё.

В зависимости от вида белки осуществляют различные функции:

  • транспортную;
  • ферментативную;
  • рецепторную.

Рис. 1. Строение плазмалеммы.

Клетки растений сверху окружены жёсткой целлюлозной стенкой. У животных клеток поверхностный слой называется гликокаликсом, в состав которого входят углеводы, белки и жиры.

Органеллы

Структурно-функциональная организация растительной и животной клеток гомологична, т.е. похожа. Однако клетки отличаются специфичными органеллами.

Рис. 2. Строение клеток животных и растений.

Основные компоненты эукариотической клетки и их описание представлены в таблице.

Органоиды

Строение

Функции

Состоит из двух мембран, имеющих поры. Внутри находится вязкая нуклеоплазма, состоящая из нуклеиновых кислот, хроматина (содержит белки, ДНК, РНК), белков, воды

Контролирует все клеточные процессы. Хранит и передаёт наследственную информацию

Эндоплазматическая сеть (ЭПС)

Образована внешней ядерной мембраной. На поверхности могут находиться рибосомы (шероховатая ЭПС)

Синтезирует липиды и углеводы. Нейтрализует яды

Рибосома

Немембранная структура, состоящая из двух частей - субъединиц. В состав каждой части входит белок и рибосомальная РНК

Осуществляет все этапы биосинтеза белка - инициацию, элонгацию, терминацию

Комплекс (аппарат) Гольджи

Мембранная органелла, состоящая из стопок - цистерн, заполненных ферментами. Взаимосвязан с ЭПС

Модифицирует органические вещества, производит ферменты, гормоны, лизосомы

Лизосома

Одномембранная органелла, характерная для животных клеток. Заполнена ферментами. В растительных клетках встречается редко и в небольших количествах

Переваривает жидкие и твёрдые частицы, попадающие в клетку при метаболизме

Митохондрия

Состоит из двух мембран. Внешняя гладкая, внутренняя образует складки - кристы. Внутри заполнена вязким веществом - матриксом, в котором находятся белки и митохондриальная ДНК

Осуществляет синтез АТФ в ходе клеточного дыхания

Клеточный центр (центросома)

Характерен только для животной клетки. Состоит из двух белковых центриолей - материнской и дочерней

Материнская центриоль производит микротрубочки, образующие веретено деления

Пластиды

Специфичные органеллы растительной клетки. Бывают трёх видов. Заполнены гелеобразной белковой жидкостью - стромой, в которой находится собственная ДНК

Хлоропласты содержат хлорофилл и осуществляют фотосинтез;

Хромопласты содержат яркие пигменты, окрашивающие цветки и плоды;

Лейкопласты накапливают питательные вещества

Присутствует только в растениях. Образуется с помощью ЭПС и комплекса Гольджи. Состоит из тонкой мембраны, под которой находятся запасы питательных веществ, ферменты. Занимает 90 % всей клетки

Поддерживает тургор (внутреннее давление), водно-солевой баланс

Все органеллы располагаются в цитоплазме - вязком веществе, состоящем из жидкости - гиалоплазмы (цитозоли). Также в неё входят клеточные включения (капли жира, зёрна крахмала) и цитоскелет, состоящий из микротрубочек и осуществляющий клеточное движение. Благодаря движению происходит обмен веществ между органеллами и с внешней средой.

Деление

Основным способом деления эукариот является митоз. Это непрямое деление клетки, включающее две стадии:

  • кариокинез - распределение ядерного содержимого между двумя клетками;
  • цитокинез - разделение органелл между дочерними клетками.

Деление начинается с удвоения центросомы и распада ядерной мембраны. Из хроматина образуются хромосомы, которые выстраиваются на клеточном экваторе. Прикреплённые микротрубочки веретена деления оттягивают части хромосом в разные стороны, где вокруг них образуется новая ядерная оболочка. Затем распределяются органеллы.

Рис. 3. Митоз.

Клетки животных разделяются перетяжкой. У растительных клеток формируется перегородка.

Что мы узнали?

Кратко узнали из темы цитологии о строении и функциях эукариот. Ядерные клетки растений и животных схожи по строению, но имеют специфичные органеллы. В растительной клетке содержатся пластиды и вакуоль. Клетки растений сверху покрывает целлюлозная оболочка, а животных - гликокаликс. В отличие от растений клетки животных содержат центросомы, участвующие в делении.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 235.

Строение клетки

Строение клеток

Прокариотическая клетка

Прокариоты (от лат. pro

Строение хромосом

Схема строения хромосомы в поздней профазе - метафазе митоза. 1-хроматида; 2-центромера; 3-короткое плечо; 4-длинное плечо.

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, постоянно присутствующего в клеточном ядре. Исходно термин был предложен для обозначения структур, выявляемых в эукариотических клетках, но в последние десятилетия всё чаще говорят о бактериальных хромосомах. В хромосомах сосредоточена большая часть наследственной информации.

Морфология хромосом лучше всего видна в клетке на стадии метафазы. Хромосома состоит из двух палочкообразных телец - хроматид. Обе хроматиды каждой хромосомы идентичны друг другу по генному составу.

Хромосомы дифференцированы по длине. Хромосомы имеют центромеру или первичную перетяжку, две теломеры и два плеча. На некоторых хромосомах выделяют вторичные перетяжки и спутники. Движение хромосомы определяет Центромера, которая имеет сложное строение.

ДНК центромеры отличается характерной последовательностью нуклеотидов и специфическими белками. В зависимости от расположения центромеры различают акроцентрические, субметацентрические и метацентрические хромосомы.

Как говорилось выше, некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки. Они, в отличие от первичной перетяжки (центромеры), не служат местом прикрепления нитей веретена и не играют никакой роли в движении хромосом. Некоторые вторичные перетяжки связаны с образованием ядрышек, в этом случае их называют ядрышковыми организаторами. В ядрышковых организаторах расположены гены, ответственные за синтез РНК. Функция других вторичных перетяжек еще не ясна.

У некоторых акроцентрических хромосом есть спутники - участки, соединенные с остальной частью хромосомы тонкой нитью хроматина. Форма и размеры спутника постоянны для данной хромосомы. У человека спутники имеются у пяти пар хромосом.

Концевые участки хромосом, богатые структурным гетерохроматином, называются теломерами. Теломеры препятствуют слипанию концов хромосом после редупликации и тем самым способствуют сохранению их целостности. Следовательно, теломеры ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований.

Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, называют гомологичными. Они имеют одинаковое строение (длина, расположение центромеры и т. д.). Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.

Исследование тонкой структуры хромосом показало, что они состоят из ДНК, белка и небольшого количества РНК. Молекула ДНК несет отрицательные заряды, распределенные по всей длине, а присоединенные к ней белки - гистоны заряжены положительно. Этот комплекс ДНК с белком называют хроматином. Хроматин может иметь разную степень конденсации. Конденсированный хроматин называют гетерохроматином, деконденсированный хроматин - эухроматином. Степень деконденсации хроматина отражает его функциональное состояние. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые, в которых локализована большая часть генов. Различают структурный гетерохроматин, количество, которого различается в разных хромосомах, но располагается он постоянно в околоцентромерных районах. Кроме структурного гетерохроматина существует факультативный гетерохроматин, который появляется в хромосоме при сверхспирализации эухроматических районов. Подтверждением существования этого явления в хромосомах человека служит факт генетической инактивации одной Х-хромосомы в соматических клетках женщины. Его суть заключается в том, что существует эволюционно сформировавшийся механизм инактивации второй дозы генов, локализованных в Х-хромосоме, вследствие чего, несмотря на разное число Х-хромосом в мужском и женском организмах, число функционирующих в них генов уравнено. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, тогда его можно обнаружить в виде плотных хромосом

Размеры молекул ДНК хромосом огромны. Каждая хромосома представлена одной молекулой ДНК. Они могут достигать сотен микрометров и даже сантиметров. Из хромосом человека самая большая - первая; ее ДНК имеет общую длину до 7 см. Суммарная длина молекул ДНК всех хромосом одной клетки человека составляет 170 см.

Несмотря на гигантские размеры молекул ДНК, она достаточно плотно упакована в хромосомах. Такую специфическую укладку хромосомной ДНК обеспечивают белки гистоны. Гистоны располагаются по длине молекулы ДНК в виде блоков. В один блок входит 8 молекул гистонов, образуя нуклеосому (образование, состоящее из нити ДНК, намотанной вокруг октамера гистонов). Размер нуклеосомы около 10 нм. Нуклеосомы имеют вид нанизанных на нитку бусинок. Нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК плотно упакованы в виде спирали, на каждый виток такой спирали приходится шесть нуклеосом. Так формируется структура хромосомы.

Наследственная информация организма строго упорядочена по отдельным хромосомам. Каждый организм характеризуется определенным набором хромосом (число, размеры и структура), который называется кариотипом. Кариотип человека представлен двадцатью четырьмя разными хромосомами (22 пары аутосом, Х- и Y-хромосомы). Кариотип - это паспорт вида. Анализ кариотипа позволяет выявлять нарушения, которые могут приводить к аномалиям развития, наследственным болезням или гибели плодов и эмбрионов на ранних стадиях развития.

Длительное время полагали, что кариотип человека состоит из 48 хромосом. Однако в начале 1956 г. было опубликовано сообщение, согласно которому число хромосом в кариотипе человека равно 46.

Хромосомы человека различаются по размеру, расположению центромеры и вторичных перетяжек. Впервые подразделение кариотипа на группы было проведено в 1960 г. на конференции в г. Денвере (США). В описание кариотипа человека первоначально были заложены два следующих принципа: расположение хромосом по их длине; группировка хромосом по расположению центромеры (метацентрические, субметацентрические, акроцентрические).

Точное постоянство числа хромосом, их индивидуальность и сложность строения свидетельствуют о важности выполняемой ими функции. Хромосомы выполняют функцию основного генетического аппарата клетки. В них в линейном порядке расположены гены, каждый из которых занимает строго определенное место (локус) в хромосоме. В каждой хромосоме много генов, но для нормального развития организма необходим набор генов полного хромосомного набора.

Строение и функции ДНК

ДНК - полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение - некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК - 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами - 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес - десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека - около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.

Мономер ДНК - нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) - состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) - тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) - аденин и гуанин.

Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.

Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.

Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3"-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5"-углеродом (его называют 5"-концом), другой - 3"-углеродом (3"-концом).

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина - всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином - три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин - тимин, гуанин - цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности . Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина - тимину («правило Чаргаффа» ), но объяснить этот факт он не смог.

Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3"-конца одной цепи находится 5"-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы - сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» - комплементарные азотистые основания.

Функция ДНК - хранение и передача наследственной информации.

Репарация («ремонт»)

Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.

Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.

Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).

Строение и функции РНК

РНК - полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение - некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Мономер РНК - нуклеотид (рибонуклеотид) - состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Пиримидиновые основания РНК - урацил, цитозин, пуриновые основания - аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.

Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК - иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК - тРНК, 3) рибосомная РНК - рРНК.

Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.

Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса - 25 000–30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон - три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.

Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса - 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы - органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.

Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК : 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.

Строение и функции АТФ

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2–0,5%) содержится в скелетных мышцах.

АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.

Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты - в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).

Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).

АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.

Свойства гена

  1. дискретность - несмешиваемость генов;
  2. стабильность - способность сохранять структуру;
  3. лабильность - способность многократно мутировать;
  4. множественный аллелизм - многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;
  5. аллельность - в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;
  6. специфичность - каждый ген кодирует свой признак;
  7. плейотропия - множественный эффект гена;
  8. экспрессивность - степень выраженности гена в признаке;
  9. пенетрантность - частота проявления гена в фенотипе;
  10. амплификация - увеличение количества копий гена.

Классификация

  1. Структурные гены - уникальные компоненты генома, представляющие единственную последовательность, кодирующую определенный белок или некоторые виды РНК. (См. также статью гены домашнего хозяйства).
  2. Функциональные гены - регулируют работу структурных генов.

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

В ДНК используется четыре нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Генетический код

Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален почти для всех живых организмов.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке.

Свойства

  1. Триплетность - значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).
  2. Непрерывность - между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.
  3. Неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).
  4. Однозначность (специфичность) - определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты - цистеин и селеноцистеин)
  5. Вырожденность (избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.
  6. Универсальность - генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).
  7. Помехоустойчивость - мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными ; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными .

Биосинтез белка и его этапы

Биосинтез белка - сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков, происходящий на рибосомах клеток живых организмов с участием молекул мРНК и тРНК.

Биосинтез белка можно разделить на стадии транскрипции, процессинга и трансляции. Во время транскрипции происходит считывание генетической информации, зашифрованной в молекулах ДНК, и запись этой информации в молекулы мРНК. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, ненужные в последующих стадиях, и происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После транспортировки кода из ядра к рибосомам происходит собственно синтез белковых молекул, путём присоединения отдельных аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи.

Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄-концу присоединяется кэп, а к 3΄-концу поли-А хвост, который увеличивает длительность жизни мРНК. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможно комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков, кодируемым единой последовательностью нуклеотидов ДНК, - альтернативный сплайсинг.

Трансляция заключается в синтезе полипептидной цепи в соответствии с информацией, закодированной в матричной РНК. Аминокислотная последовательность выстраивается при помощи транспортных РНК (тРНК), которые образуют с аминокислотами комплексы - аминоацил-тРНК. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК, имеющая соответствующий антикодон, «подходящий» к кодону мРНК. Во время трансляции рибосома движется вдоль мРНК, по мере этого наращивается полипептидная цепь. Энергией биосинтез белка обеспечивается за счёт АТФ.

Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и транспортируется в нужное место клетки. Для достижения своего активного состояния некоторые белки требуют дополнительной посттрансляционной модификации.

Причины мутаций

Мутации делятся на спонтанные и индуцированные . Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около 10 − 9 - 10 − 12 на нуклеотид за клеточную генерацию.

Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций - репликация ДНК, нарушения репарации ДНК и генетическая рекомбинация.

Роль мутаций в эволюции

При существенном изменении условий существования те мутации, которые раньше были вредными, могут оказаться полезными. Таким образом, мутации являются материалом для естественного отбора. Так, мутанты-меланисты (темноокрашенные особи) в популяциях березовой пяденицы в Англии впервые были обнаружены учеными среди типичных светлых особей в середине XIX века. Темная окраска возникает в результате мутации одного гена. Бабочки проводят день на стволах и ветвях деревьев, обычно покрытых лишайниками, на фоне которых светлая окраска является маскирующей. В результате промышленной революции, сопровождающейся загрязнением атмосферы, лишайники погибли, а светлые стволы берез покрылись копотью. В результате к середине XX века (за 50-100 поколений) в промышленных районах темная морфа почти полностью вытеснила светлую. Было показано, что главная причина преимущественного выживания черной формы - хищничество птиц, которые избирательно выедали светлых бабочек в загрязненных районах.

Если мутация затрагивает «молчащие» участки ДНК, либо приводит к замене одного элемента генетического кода на синонимичный, то она обычно никак не проявляется в фенотипе (проявление такой синонимичной замены может быть связано с разной частотой употребления кодонов). Однако методами генного анализа такие мутации можно обнаружить. Поскольку чаще всего мутации происходят в результате естественных причин, то в предположении, что основные свойства внешней среды не менялись, получается, что частота мутаций должна быть примерно постоянной. Этот факт можно использовать для исследования филогении - изучения происхождения и родственных связей различных таксонов, в том числе и человека. Таким образом, мутации в молчащих генах служат для исследователей своеобразными «молекулярными часами». Теория «молекулярных часов» исходит также из того, что большинство мутаций нейтральны, и скорость их накопления в данном гене не зависит или слабо зависит от действия естественного отбора и потому остается постоянной в течение длительного времени. Для разных генов эта скорость, тем не менее, будет различаться.

Исследование мутаций в митохондриальной ДНК (наследуется по материнской линии) и в Y-хромосомах (наследуется по отцовской линии) широко используется в эволюционной биологии для изучения происхождения рас и народностей, реконструкции биологического развития человечества.

Строение клетки

Строение клеток

Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток - прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки - более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки - более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Живое содержимое клетки - протопласт - отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.

Прокариоты (от лат. pro - перед, до и греч. κάρῠον - ядро, орех) - организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов - линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток - митохондрии и пластиды.

Эукариотическая клетка Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ - хорошо, полностью и κάρῠον - ядро, орех) - организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты - митохондрии, а у водорослей и растений - также и пластиды.

Строение эукариотической клетки

Схематическое изображение животной клетки. (При нажатии на какое-либо из названий составных частей клетки, будет осуществлён переход на соответствующую статью.)