Строение клетки

       На электронных микрофотографиях  видно,  что  митохондрии  состоят  из

двух мембран: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана  образует  выросты, называемые  кристами,  которые  сплошь  устланы  ферментами.  Наличие  крист увеличивает  общую  поверхность  митохондрий,   что   важно   для   активной деятельности ферментов.

       В митохонлриях обнаружены свои специфические ДНК и рибосомы. В  связи с этим они самостоятельно размножаются при делении клетки.

       Хлоропласты – по форме напоминают  диск или шар с двойной оболочкой  – наружной и внутренней. Внутри хлоропласта  также  имеются  ДНК,  рибосомы  и особые мембранные структуры – граны,  связанные  между  собой  и  внутренней мембраной хлоропласта. В мембранах гран  и  находится  хлорофилл.  Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света  в химическую энергию  АТФ  (аденозинтрифосфат).  Энергия  АТФ  используется  в хлоропластах для синтеза углеводов из углекислого газа и воды.

                         

Клеточные включения.

       К клеточным включениям относятся  углеводы, жиры и белки.

       Углеводы. Углеводы состоят  из  углерода,  водорода  и  кислорода.                    

К углеводам относятся глюкоза, гликоген (животный  крахмал).  Многие  углеводы хорошо растворимы в  воде  и  являются  основными  источниками  энергии  для осуществления всех жизненных процессов. При распаде одного грамма  углеводов освобождается    17,2 кДж энергии.

       Жиры. Жиры образованы теми же химическими элементами, что и углеводы. Жиры нерастворимы в воде. Они входят в состав клеточных мембран. Жиры  также служат запасным источником  энергии  в  организме.  При  полном  расщеплении одного грамма жира освобождается 39, 1 кДж энергии.

       Белки. Белки являются основными веществами клетки. Белки  состоят  из

углерода, водорода, кислорода, азота, серы.  Часто  в  состав  белка  входит

фосфор. Белки  служат  главным  строительным  материалом.  Они  участвуют  в формировании мембран клетки,  ядра,  цитоплазмы,  органоидов.  Многие  белки выполняют роль ферментов (ускорителей течения химических реакций).  В  одной клетке насчитывается до 1000 разных белков. При распаде белков  в  организме освобождается примерно такое же количество энергии, как  и  при  расщеплении углеводов.

       Все эти вещества накапливаются  в цитоплазме клетки в  виде  капель  и

зёрен различной величины и формы. Они периодически синтезируются в клетке  и используются в процессе обмена веществ.

 

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты образуются в клеточном ядре. Отсюда  и  произошло название (лат. «нуклеус» -  ядро).  Входя  в  состав  хромосом,  нуклеиновые кислоты участвуют в  хранении  и  передаче  наследственных  свойств  клетки. Нуклеиновые кислоты обеспечивают образование белков.

                                   

 

ДНК.

       Молекула ДНК  –  дезоксирибонуклеиновая  кислота  –  была  открыта  в

клеточных ядрах ещё в 1868 году швейцарским  врачом  И.Ф.  Мишером.  Позднее узнали, что ДНК находится в хромосомах ядра.

       Основная  функция  ДНК  –  информационная:  порядок  расположения  её четырёх нуклеотидов (нуклеотид -  мономер; мономер – вещество, состоящее  из повторяющихся элементарных звеньев) несёт  важную  информацию  –  определяет порядок расположения  аминокислот  в  линейных  молекулах  белков,  т.е.  их первичную структуру. Набор белков (ферментов, гормонов) определяет  свойства клетки и организма.  Молекулы  ДНК  хранят  сведения  об  этих  свойствах  и передают  их   в   поколения   потомков,   т.е.   ДНК   является   носителем наследственной информации.

                                   

 

РНК.

       РНК – рибонуклеиновая кислота  – очень похожа на ДНК и  тоже  построена из мономерных нуклеотидов четырёх  типов.  Главное  отличие  РНК  от  ДНК  – одинарная, а не двойная цепочка молекулы.

       Различают несколько видов РНК, все они принимают участие  в реализации наследственной информации, хранящейся в молекулах ДНК, через синтез белка.

 

АТФ.

 Очень важную  роль в биоэнергетике клетки  играет адениловый нуклеотид, к которому  присоединены  два  остатка  фосфорной  кислоты.  Такое  вещество называют  аденозинтрифосфорной   кислотой   (АТФ).   АТФ   –   универсальный

биологический  аккумулятор  энергии:  световая  энергия  Солнца  и  энергия,

заключённая в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ.

       Энергию АТФ (Е)  все  клетки  используют  для  процессов  биосинтеза,

движения нервных импульсов, свечений и других процессов жизнедеятельности.

 

                                                                                                                                       

                 Организация наследственного            материала

    Ключевым понятием современной генетики является понятие «наследственность» -универсальное свойство живых организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями. Наследование (процесс) следует отличать от наследственности (свойства). Наследование - процесс передачи информации о признаках. Очень часто говорят о наследовании признаков в ряду поколений. Это не совсем точно: наследуется не признак, а генетическая информация о нём. Под признаком понимают дискретное (строго очерченное) свойство (качество), различающее особи. Признак может быть морфологическим, биохимическим, физиологическим, иммунологическим, клиническим и др. Признак развивается в онтогенезе на основе генетической информации, на его формирование оказывают влияние условия среды. Поэтому у организмов с одинаковой генетической информацией могут развиться различные признаки (это обеспечивает индивидуальность особи) и наоборот. 
 
                  Представление о наследственности исторически возникло и развивалось как отражение существования материальной субстанции, обеспечивающей сходство организмов в ряду поколений. В связи с этим появился ряд терминов, связывающих наследственность с определенными структурами клетки и объединяемых общим термином «генетический материал». После доказательства роли ядра в передаче признаков была сформулирована ядерная теория наследственности (1883-1885). В дальнейшем была разработана хромосомная теория наследственности (1902 - 1911). обосновывающая, что наследственные факторы локализованы в хромосомах. По мере развития генетики выяснилось, что генетические факторы могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме. В связи с этим возникло представление о цитоплазматическом наследовании. В середине XX века было установлено, что генетическая информация хранится, воспроизводится и передается при размножении организмов молекулами нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), которые являются материальными носителями всех видов наследственности. Эти представления обобщены в рамках генной теории наследственности (1941, 1953). 
 
                  В основе наследования лежат процессы удвоения, распределения и объединения генетического материала, которыми во многом и обусловливаются закономерности наследования. Функционально неделимой элементарной единицей наследственности является ген. Представление о гене как материальной частице, лежащей в хромосоме, способной к саморегуляции и являющейся минимальной единицей рекомбинации, мутирования и генетической функции, сложилось к концу 20-х годов XX века. Согласно современным представлениям, ген - это участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида (белка) одного вида, или же транспортной, или рибосомальной РНК. Более короткое определение гена можно представить следующим образом: «Ген - это участок молекулы ДНК, кодирующий структуру одного из видов РНК» (у некоторых вирусов, лишённых ДНК, геном является участок РНК). Это определение берёт начало от концепции «один ген - один фермент», выдвинутой в 1941 году Дж. Бидлом и Э. Тейтемом (Татумом), согласно которой каждый ген определяет структуру какого-либо фермента (авторы концепции удостоены Нобелевской премии 1956 года). 
 
                  В 1902 году независимо друг от друга два исследователя (Уильям Сеттон в США и Теодор Бовери в Германии) предположили, что гены расположены в хромосомах. Это предположение, положившее начало хромосомной теории наследственности, основывалось на параллелизме (сходстве) в поведении генов и хромосом в процессе развития гамет и оплодотворения яйцеклетки. Хромосомы (термин «хромосома» предложил В. Вальдей-ер в 1888 году) представляют собой структуры клеточного ядра, которым свойственны способность к самовоспроизведению и сохранению индивидуальных черт строения (структурной и функциональной индивидуальности) в ряду поколений. Размещение генов в хромосомах влияет на соотносительное наследование информации о признаках. Хромосомная организация наследственного материала обеспечивает перераспределение наследственного материала (задатков) родителей в потомках при половом размножении. 
Соответственно рассмотренным структурам. - материальным носителям наследственности (генам и хромосомам) - различают первые два уровня организации наследственного материала: 1) генный уровень; 2) хромосомный уровень. Несмотря на распределение по различным хромосомам, вся совокупность генов образует единую систему взаимодействующих друг с другом генетических элементов. Именно эта динамическая система генов, получившая названия генотипа (термин «генотип» предложен В. Иогансеном в 1909 году), контролирует развитие и жизнедеятельность организма, формирование всей совокупности его признаков. Иногда в качестве синонима употребляют термин «геном», но это не совсем верно. Геном, в отличие от генотипа, является характеристикой совокупности генов всех особей вида в данный момент эволюции. Генотип и геном представляют соответствующие уровни организации наследственного материала: 3) генотипический уровень; 4) геномный уровень.

 

 Строение   хромосом

Хромосомы — главные структурно-функциональные элементы клеточного ядра, содержащие расположенные в линейном порядке гены и обеспечивающие хранение, воспроизводство генетической информации, а также начальные этапы ее реализации в признаки; изменяют свою линейную структуру в клеточном цикле. Термин «хромосомы» предложен Вальдейером (W.Waldeyer) в 1888 г. из-за палочковидной формы и интенсивного окрашивания этих элементов основными красителями в период деления клетки.

Термин «хромосома» в полном его значении применим к соответствующим ядерным структурам клеток многоклеточных эукариотных организмов. В ядре таких клеток хромосом всегда несколько, они составляют хромосомный набор. В соматических клетках хромосомы парны, так как происходят от двух родительских (диплоидный набор хромосом), в зрелых половых клетках содержится одинарный (гаплоидный) набор хромосом. Каждый биологический вид характеризуется постоянным числом, размерами и другими морфологическими признаками хромосом. У разнополых организмов хромосомный набор включает две хромосомы, несущие гены, определяющие пол особи, которые называют половыми, или гоносомами, в противоположность всем остальным, именуемым аутосомами. У человека пара половых хромосом составлена: у женщин из двух X-хромосом (XX набор), а у мужчин — из X и Y-хромосом (XY набор). Поэтому в зрелых половых клетках — гаметах у женщин содержится только X-хромосома, тогда как у мужчин половина сперматозоидов содержит Х-хромосому, а другая — Y-хромосому.

Функциями хромосом являются: хранение генов – носителей генетической информации, заключенной в молекулярной структуре ДНК; самовоспроизведение генетической информации; передача генетической информации для реализации в признак; рекомбинация сцепленных генов между гомологичными хромосомами в гаметогенезе, обеспечивающая рекомбинацию признаков родителей в потомстве; обратимое изменение структур хромосом (конденсация — деконденсация), необходимое для дифференциальной активности генов и правильного распределения хромосом в дочерних клетках во время деления изменение числа групп сцепленных генов и порядка их сцепления как важный фактор изменчивости биологических видов в их эволюции. Функционирование хромосом тесно связано с преобразованиями их структуры. Взаимодействие структуры и функции имеет свои особенности на разных уровнях организации хромосом.

На светооптическом микроскопическом уровне морфология хромосом различна в отдельные моменты их преобразований, которые являются частью клеточного цикла и состоят главным образом в конденсации хромосом на пути к митозу или мейозу и деконденсации при переходе к интерфазе.

В интерфазе хромосомы максимально де конденсированы, индивидуально неразличимы и занимают весь объем ядра, образуя так наз. хроматин. Плотность хроматина в разных участках ядра обычно неодинакова — слабо окрашенные основными красителями участки перемежаются с интенсивно окрашенными. Сопоставление по-разному окрашенных участков интерфазного хроматина с морфологией индивидуальных хромосом при их митотической конденсации и деконденсации позволило выделить два типа хроматина — эухроматин и гетерохроматин. Топография гетерохроматиновых сегментов в интерфазном ядре свидетельствует в пользу упорядоченности расположения в нем хромосом, их связи с ядерной мембраной. Морфология хромосом связана с их репродукцией и поэтому различается в разные фазы клеточного цикла. Судить об этом удается с помощью индукции конденсации хромосом ядра клетки в интерфазе. В G1-фазе интерфазные хромосомы однонитчаты (однохроматидны). В G2-фазе, когда репродукция завершена, все хромосомы состоят из двух хроматид на всем протяжении.

Одна из основных функций хромосом — считывание генетической информации — также осуществляется в интерфазе. Особенности морфологии хромосом в этот момент недоступны для исследования на интерфазных ядрах диплоидных клеток, но их удалось исследовать на политенных хромосомах (греч. poly много + tainia лента, полоса) — интерфазных X., обнаруженных главным образом в клетках слюнных желез личинок некоторых видов отряда двукрылых насекомых и состоящих из многократно редуплицированных и неразошедшихся исходных хроматид, тесно прилегающих друг к другу. В световом микроскопе они выглядят в виде лент, поперечно исчерченных из-за чередования по всей длине интенсивно окрашенных участков (дисков) и светлых (междисковых) пространств. Диск представляет собой участок плотно сложенной хроматиновой нити (хромомера). Для каждой хромосомы данного биологического вида число, размеры и топография дисков строго определенны. Хромомера политенной хромосомы содержит один или более генов в неактивном состоянии. Наблюдается попеременное набухание и разрыхление дисков — образование так называемых пуфов. Гигантские пуфы некоторых специфических дисков названы кольцами Бальбиани. Процесс образования пуфов представляет собой деконденсацию хроматиновых нитей, упакованных в диске и является обратимым. В цитогенетике появление пуфов рассматривается в качестве морфологического выражения транскрипционной активности генов.

Индивидуально различимые хромосомы формируются ко времени клеточного деления, митоза или мейоза, в результате прогрессивно нарастающей конденсации хромосом. В профазе митотического деления хромосомы видны в световом микроскопе в виде длинных и переплетенных нитей, поэтому индивидуальные хромосомы на всем протяжении неразличимы. В профазе первого мейотического деления хромосомы претерпевают сложные специфические морфологические преобразования, связанные главным образом с конъюгацией гомологичных хромосом и генетической рекомбинацией (обменом участками) между ними. В пахитене (когда заканчивается конъюгация) особенно показательно чередование хромомер по длине хромосом, причем хромомерный рисунок специфичен для каждой хромосомы и меняется по мере конденсации. Многие хромосомы в оогенезе и Y-хромосома в сперматогенезе обладают высокой транскрипционной активностью. У некоторых видов организмов такие хромосомы получили название «ламповых щеток». Они состоят из оси, построенной из хромомер и межхромомерных участков, и многочисленных боковых петель — деконденсированных хромомер, находящихся в состоянии генетического функционирования (транскрипции).