учител по биология 

2.7 Клетка - генетичната единица на живите. Хромозоми, тяхната структура (форма и размер) и функции

Видео урок 1: Клетъчно делене. Митоза

Видео урок 2: Мейоза. Фази на мейозата

Лекция: Клетката е генетичната единица на живо същество. Хромозоми, тяхната структура (форма и размер) и функции

Клетката е генетичната единица на живота

Единичната клетка е призната за основна единица на живота. Именно на клетъчно ниво протичат процеси, които отличават живата материя от неживата. Всяка от клетките съхранява и интензивно използва наследствена информация за химическата структура на протеините, които трябва да се синтезират в нея, поради което се нарича генетична единица на живите. Дори безядрените еритроцити в началните етапи на своето съществуване имат митохондрии и ядро. Само в зряло състояние им липсват структурите за синтез на протеини.

Към днешна дата науката не познава клетки, които не съдържат ДНК или РНК като носител на геномна информация. При липса на генетичен материал клетката не е способна да синтезира протеини и следователно да живее.

ДНК присъства не само в ядрата, нейните молекули се съдържат в хлоропластите и митохондриите, тези органели могат да се размножават вътре в клетката.

ДНК в клетката е под формата на хромозоми - сложни комплекси протеин-нуклеинова киселина. Еукариотните хромозоми са разположени в ядрото. Всеки от тях представлява сложна структура от:

    Единствената дълга ДНК молекула, 2 метра от която е опакована в компактна структура (при хората) с размер до 8 микрона;

    Специални хистонови протеини, чиято роля е да опаковат хроматина (субстанцията на хромозомата) в позната пръчковидна форма;

Хромозоми, тяхната структура (форма и размер) и функции


Тази плътна опаковка от генетичен материал се произвежда от клетката преди деленето. Точно в този момент гъсто опакованите, образувани хромозоми могат да бъдат изследвани под микроскоп. Когато ДНК се нагъва в компактни хромозоми, наречени хетерохроматин, синтезът на информационна РНК не е възможен. По време на периода на набиране на клетъчна маса и нейното интерфазно развитие, хромозомите са в по-малко опаковано състояние, което се нарича интерхроматин и в него се синтезира иРНК, настъпва репликация на ДНК.

Основните елементи на структурата на хромозомите са:

    центромер.Това е част от хромозомата със специална последователност от нуклеотиди. Той свързва две хроматиди заедно, участва в конюгацията. Именно към него са прикрепени протеиновите нишки на вретеновидните тръби на клетъчното делене.

    Теломери. Това са крайните участъци на хромозомите, които не могат да се свързват с други хромозоми, те играят защитна роля. Те се състоят от повтарящи се участъци от специализирана ДНК, които образуват комплекси с протеини.

    Точки на започване на репликацията на ДНК.

Хромозомите на прокариотите са много различни от еукариотните, представляващи ДНК-съдържащи структури, разположени в цитоплазмата. Геометрично те представляват пръстеновидна молекула.

Хромозомният набор на клетката има свое име - кариотип. Всеки от видовете живи организми има свой собствен състав, брой и форма на хромозомите, характерни само за него.

Соматичните клетки съдържат диплоиден (двоен) набор от хромозоми, половината от всеки родител.

Хромозомите, отговорни за кодирането на същите функционални протеини, се наричат ​​хомоложни. Плоидността на клетките може да бъде различна - като правило при животните гаметите са хаплоидни. В растенията полиплоидията вече е доста често срещано явление, което се използва за създаване на нови сортове в резултат на хибридизация. Нарушаването на количеството плоидност при топлокръвните животни и хората причинява сериозни вродени заболявания като синдрома на Даун (наличие на три копия на 21-вата хромозома). Най-често хромозомните аномалии водят до нежизнеспособност на организма.

При хората пълният набор от хромозоми се състои от 23 двойки. Най-големият известен брой хромозоми, 1600, е открит в най-простите планктонни организми, радиоларии. Най-малкият набор от хромозоми в мравките австралийски черен булдог е само 1.

Жизненият цикъл на клетката. Фази на митоза и мейоза


Интерфаза, с други думи, продължителността на времето между две деления се определя от науката като жизнения цикъл на клетката.

По време на интерфазата в клетката протичат жизненоважни химични процеси, тя расте, развива се и натрупва резервни вещества. Подготовката за размножаване включва удвояване на съдържанието - органели, вакуоли с хранително съдържание, обем на цитоплазмата. Именно благодарение на деленето, като начин за бързо увеличаване на броя на клетките, е възможен дълъг живот, размножаване, увеличаване на размера на тялото, оцеляването му при наранявания и регенерация на тъканите. В клетъчния цикъл се разграничават следните етапи:

    Интерфаза.Време между разделянията. Първо, клетката расте, след това броят на органелите се увеличава, обемът на резервното вещество се увеличава, протеините се синтезират. В последната част на интерфазата хромозомите са готови за последващо разделяне - те се състоят от двойка сестрински хроматиди.

    Митоза.Това е името на един от методите за ядрено делене, характерен за телесните (соматични) клетки, при който от една се получават 2 клетки с идентичен набор от генетичен материал.

Мейозата е характерна за гаметогенезата. Прокариотните клетки са запазили древния метод на размножаване - директно делене.

Митозата се състои от 5 основни фази:

    Профаза.За нейно начало се счита моментът, в който хромозомите стават толкова плътно опаковани, че се виждат под микроскоп. Също така по това време нуклеолите се унищожават, образува се делително вретено. Микротубулите се активират, продължителността на тяхното съществуване намалява до 15 секунди, но скоростта на образуване също се увеличава значително. Центриолите се отклоняват към противоположните страни на клетката, образувайки огромен брой непрекъснато синтезиращи и разлагащи се протеинови микротубули, които се простират от тях до центромерите на хромозомите. Така се образува вретеното. Мембранни структури като ER и апарата на Голджи се разпадат на отделни везикули и тубули, произволно разположени в цитоплазмата. Рибозомите се отделят от ER мембраните.

    метафаза. Образува се метафазна плоча, състояща се от хромозоми, балансирани в средата на клетката от усилията на противоположни центриолови микротубули, всяка от които ги дърпа в собствената си посока. В същото време продължава синтезът и разпадането на микротубулите, техния вид "преграда". Тази фаза е най-дългата.

  • Анафаза. Усилията на микротубулите прекъсват връзките на хромозомите в центромерната област и със сила ги разтягат към полюсите на клетката. В този случай хромозомите понякога приемат V-образна форма поради устойчивостта на цитоплазмата. В областта на метафазната пластина се появява пръстен от протеинови влакна.
  • Телофаза.Неговото начало се счита за момента, в който хромозомите достигнат полюсите на делене. Започва процес на възстановяване на вътрешните мембранни структури на клетката - ЕПС, апарата на Голджи, ядрото. Хромозомите се разопаковат. Сглобяват се нуклеолите и започва синтеза на рибозоми. Вретеното на разделението се разпада.
  • цитокинеза. Последната фаза, в която протеиновият пръстен, който се появи в централната област на клетката, започва да се свива, избутвайки цитоплазмата към полюсите. Налице е разделяне на клетката на две и образуването на протеиновия пръстен на клетъчната мембрана на мястото.

Регулатори на процеса на митоза са специфични протеинови комплекси. Резултатът от митотичното делене е двойка клетки с идентична генетична информация. В хетеротрофните клетки митозата протича по-бързо, отколкото в растителните клетки. При хетеротрофите този процес може да отнеме от 30 минути, при растенията - 2-3 часа.

За да генерира клетки с половината от нормалния брой хромозоми, тялото използва различен механизъм на делене - мейоза.

Свързва се с необходимостта от производство на зародишни клетки; в многоклетъчните организми избягва постоянното удвояване на броя на хромозомите в следващото поколение и прави възможно получаването на нови комбинации от алелни гени. Различава се в броя на фазите, като е по-дълъг. Полученото намаляване на броя на хромозомите води до образуването на 4 хаплоидни клетки. Мейозата е две разделения, които следват едно след друго без прекъсване.

Дефинират се следните фази на мейозата:

    Профаза I. Хомоложните хромозоми се приближават една към друга и се обединяват надлъжно. Такава асоциация се нарича конюгация. След това има кръстосване - двойните хромозоми кръстосват раменете си и разменят участъци.

    Метафаза IХромозомите се разделят и заемат позиции на екватора на клетъчното вретено, като придобиват V-образна форма поради напрежението на микротубулите.

    Анафаза IХомоложните хромозоми се разтягат чрез микротубули до полюсите на клетката. Но за разлика от митотичното делене, те се разминават като цяло, а не като отделни хроматиди.

Резултатът от първото разделяне на мейозата е образуването на две клетки с половината от броя на целите хромозоми. Между разделянията на мейозата интерфазата практически липсва, удвояването на хромозомите не се случва, те вече са двухроматидни.

Непосредствено след първото повторно мейотично делене е напълно подобно на митозата - при него хромозомите се разделят на отделни хроматиди, разпределени по равно между новите клетки.

    оогониите преминават през етапа на митотично възпроизвеждане на ембрионалния етап на развитие, така че женското тяло вече се ражда с непроменен брой от тях;

    сперматогониите са способни да се възпроизвеждат по всяко време на репродуктивния период на мъжкото тяло. Генерират се много повече от женските гамети.


Гаметогенезата на животинските организми се извършва в половите жлези - гонадите.

Процесът на трансформация на сперматогониите в сперматозоиди протича на няколко етапа:

    Митотичното делене трансформира сперматогониите в сперматоцити от 1-ви ред.

    В резултат на една мейоза те се превръщат в сперматоцити от 2-ри ред.

    Второто мейотично деление произвежда 4 хаплоидни сперматиди.

    Има период на формиране. В клетката ядрото се уплътнява, количеството цитоплазма намалява и се образува флагелът. Освен това протеините се съхраняват и броят на митохондриите се увеличава.

Образуването на яйца в тялото на възрастна жена се извършва, както следва:

    От овоцит от 1-ви ред, от който има определено количество в тялото, в резултат на мейоза, с намаляване на броя на хромозомите наполовина, се образуват овоцити от 2-ри ред.

    В резултат на второто мейотично делене се образува зряла яйцеклетка и три малки редукционни телца.

Това неравновесно разпределение на хранителни вещества между 4 клетки е предназначено да осигури голям ресурс от хранителни вещества за нов жив организъм.

Яйцата на папрати и мъхове се произвеждат в архегониуми. При по-високо организираните растения - в специални яйцеклетки, разположени в яйчника.