2.7 Buňka je genetická jednotka živého tvora. Chromozomy, jejich struktura (tvar a velikost) a funkce

Video tutoriál 1: Buněčné dělení. Mitóza

Video tutoriál 2: Redukční dělení buněk. Fáze meiózy

Přednáška: Buňka je genetická jednotka živého tvora. Chromozomy, jejich struktura (tvar a velikost) a funkce

Buňka - genetická jednotka živých věcí

Základní jednotkou života je individuální buňka. Právě na buněčné úrovni probíhají procesy, které odlišují živou hmotu od neživé hmoty. V každé buňce je uložena a intenzivně využívána dědičná informace o chemické struktuře bílkovin, které v ní musí být syntetizovány, a proto se nazývá genetická jednotka živého. Dokonce i bezjaderné červené krvinky v počátečních fázích své existence mají mitochondrie a jádro. Pouze ve zralém stavu nemají struktury pro syntézu bílkovin.

Věda dodnes nezná žádné buňky, které by neobsahovaly DNA nebo RNA jako nositele genomické informace. Při absenci genetického materiálu není buňka schopna syntézy bílkovin, a tedy života.

DNA se nenachází pouze v jádrech, její molekuly jsou obsaženy v chloroplastech a mitochondriích, tyto organely se mohou uvnitř buňky množit.

DNA v buňce se nachází ve formě chromozomů - komplexních komplexů protein-nukleová kyselina. Eukaryotické chromozomy jsou lokalizovány v jádře. Každý z nich je složitou strukturou:

Jediná dlouhá molekula DNA, jejíž 2 metry je zabalena do kompaktní struktury měřící (u lidí) až 8 mikronů;

Speciální histonové proteiny, jejichž úlohou je sbalit chromatin (látku chromozomu) do známého tyčinkovitého tvaru;

Chromozomy, jejich struktura (tvar a velikost) a funkce

Toto husté balení genetického materiálu je produkováno buňkou před dělením. Právě v tomto okamžiku mohou být hustě sbalené vytvořené chromozomy zkoumány pod mikroskopem. Když je DNA složena do kompaktních chromozomů nazývaných heterochromatin, nelze syntetizovat messenger RNA. Během období nárůstu buněčné hmoty a mezifázového vývoje jsou chromozomy v méně sbaleném stavu, který se nazývá interchromatin, ve kterém se syntetizuje mRNA a dochází k replikaci DNA.

Hlavní prvky struktury chromozomů jsou:

Centromera. Jedná se o část chromozomu se speciální nukleotidovou sekvencí. Spojuje dvě chromatidy a účastní se konjugace. Právě k tomu jsou připojena proteinová vlákna vřetenových trubek buněčného dělení.

Telomery. Jedná se o koncové úseky chromozomů, které se nemohou spojit s jinými chromozomy, hrají ochrannou roli. Skládají se z opakujících se úseků specializované DNA, které tvoří komplexy s proteiny.

Body zahájení replikace DNA.

Prokaryotické chromozomy jsou velmi odlišné od eukaryotických, jsou to struktury obsahující DNA umístěné v cytoplazmě. Geometricky jsou to kruhové molekuly.

Chromozomová sada buňky má svůj vlastní název - karyotyp. Každý typ živého organismu má své charakteristické složení, počet a tvar chromozomů.

Somatické buňky obsahují diploidní (dvojitý) chromozomový soubor, jehož polovinu obdrží každý rodič.

Chromozomy odpovědné za kódování stejných funkčních proteinů se nazývají homologní. Ploidie buněk může být různá - gamety u zvířat jsou zpravidla haploidní. U rostlin je polyploidie v současnosti poměrně častým jevem, využívaným při tvorbě nových odrůd v důsledku hybridizace. Porušení množství ploidie u teplokrevných zvířat a lidí způsobuje závažná vrozená onemocnění, jako je Downův syndrom (přítomnost tří kopií chromozomu 21). Nejčastěji vedou chromozomální abnormality k neschopnosti organismu.

U lidí se kompletní sada chromozomů skládá z 23 párů. Největší známý počet chromozomů, 1600, byl nalezen v nejjednodušších planktonních organismech, radiolariích. Australští mravenci černých buldoků mají nejmenší sadu chromozomů - pouze 1.

Životní cyklus buňky. Fáze mitózy a meiózy

Mezifáze jinými slovy, časový úsek mezi dvěma děleními je vědou definován jako životní cyklus buňky.

Během interfáze probíhají v buňce životně důležité chemické procesy, buňka roste, vyvíjí se a hromadí rezervní látky. Příprava na reprodukci spočívá ve zdvojnásobení obsahu - organel, vakuol s nutričním obsahem a objemu cytoplazmy. Díky dělení, jako způsobu rychlého zvýšení počtu buněk, je možný dlouhý život, reprodukce, zvětšení velikosti těla, jeho přežití z ran a regenerace tkání. V buněčném cyklu se rozlišují následující fáze:

Mezifáze.Čas mezi divizemi. Nejprve roste buňka, poté se zvyšuje počet organel, objem rezervní látky a dochází k syntéze bílkovin. V poslední části interfáze jsou chromozomy připraveny k následnému dělení - tvoří je pár sesterských chromatid.

Mitóza. Tak se nazývá jedna z metod jaderného dělení, charakteristická pro tělesné (somatické) buňky, při které se z jedné získají 2 buňky s identickým souborem genetického materiálu.

Gametogeneze je charakterizována meiózou. Prokaryotické buňky si zachovaly prastarý způsob rozmnožování – přímé dělení.

Mitóza se skládá z 5 hlavních fází:

Profáze. Za jeho začátek se považuje okamžik, kdy se chromozomy tak hustě nabalí, že jsou viditelné pod mikroskopem. V této době jsou také zničena jadérka a vzniká vřeteno. Mikrotubuly jsou aktivovány, doba jejich existence se zkracuje na 15 sekund, ale výrazně se zvyšuje i rychlost tvorby. Centrioly se rozbíhají na opačné strany buňky a tvoří obrovské množství neustále syntetizovaných a rozpadlých proteinových mikrotubulů, které se od nich rozprostírají až k centromerám chromozomů. Tak vzniká štěpné vřeteno. Membránové struktury, jako je ER a Golgiho aparát, se rozpadají na oddělené vezikuly a trubice, náhodně umístěné v cytoplazmě. Ribozomy jsou odděleny od ER membrán.

Metafáze. Vytvoří se metafázová deska skládající se z chromozomů vyvážených uprostřed buňky úsilím protilehlých centriolových mikrotubulů, z nichž každý je táhne svým vlastním směrem. Současně pokračuje syntéza a rozpad mikrotubulů, jakési jejich „přepážky“. Tato fáze je nejdelší.

• Anafáze. Síly mikrotubulů odtrhávají spojení chromozomů v oblasti centromery a násilně je natahují směrem k pólům buňky. V tomto případě mají chromozomy někdy tvar V kvůli odolnosti cytoplazmy. V oblasti metafázové desky se objevuje prstenec proteinových vláken.
• Telofáze. Za jeho začátek se považuje okamžik, kdy chromozomy dosáhnou pólů dělení. Začíná proces obnovy vnitřních membránových struktur buňky - ER, Golgiho aparátu a jádra. Chromozomy jsou rozbalené. Nukleoly se sestavují a začíná syntéza ribozomů. Štěpné vřeteno se rozpadá.
• Cytokineze. Poslední fáze, ve které se proteinový prstenec, který se objevuje v centrální oblasti buňky, začíná zmenšovat a tlačí cytoplazmu směrem k pólům. Buňka se rozdělí na dvě a na místě se vytvoří proteinový prstenec buněčné membrány.

Regulátory procesu mitózy jsou specifické proteinové komplexy. Výsledkem mitotického dělení je pár buněk s identickou genetickou informací. V heterotrofních buňkách probíhá mitóza rychleji než v rostlinných buňkách. U heterotrofů může tento proces trvat 30 minut, u rostlin 2-3 hodiny.

K vytvoření buněk s polovičním normálním počtem chromozomů tělo používá jiný mechanismus dělení - redukční dělení buněk.

Je spojena s potřebou produkce zárodečných buněk, u mnohobuněčných organismů zamezuje neustálému zdvojování počtu chromozomů v další generaci a umožňuje získávat nové kombinace alelických genů. Liší se počtem fází, je delší. Výsledný pokles počtu chromozomů vede ke vzniku 4 haploidních buněk. Meióza se skládá ze dvou divizí navazujících na sebe bez přerušení.

Jsou definovány následující fáze meiózy:

Profáze I. Homologní chromozomy se k sobě přibližují a podélně se spojují. Tato kombinace se nazývá konjugace. Poté dochází ke křížení – dvojité chromozomy zkříží svá ramena a vymění si úseky.

Metafáze I. Chromozomy se oddělují a zaujímají pozice na rovníku buněčného vřeténka, přičemž vlivem napětí mikrotubulů nabývají tvaru V.

Anafáze I. Homologní chromozomy jsou protaženy mikrotubuly směrem k buněčným pólům. Ale na rozdíl od mitotického dělení se oddělují spíše jako celé chromatidy než jako samostatné.

Výsledkem prvního meiotického dělení je vznik dvou buněk s polovičním počtem neporušených chromozomů. Mezi děleními meiózy interfáze prakticky chybí, ke zdvojení chromozomů nedochází, jsou již bichromatidní.

Bezprostředně po prvním je opakované meiotické dělení zcela analogické mitóze – chromozomy jsou v ní rozděleny do samostatných chromatid, rovnoměrně rozdělených mezi nové buňky.

oogonia procházejí fází mitotické reprodukce v embryonální fázi vývoje, takže ženské tělo se již rodí s jejich konstantním počtem;

spermatogonie jsou schopné reprodukce kdykoli během reprodukčního období mužského těla. Je jich generováno mnohem větší množství než samičích gamet.

Gametogeneze živočišných organismů probíhá v gonádách – gonádách.

Proces transformace spermatogonie na spermie probíhá v několika fázích:

Mitotické dělení transformuje spermatogonie na spermatocyty prvního řádu.

V důsledku jediné meiózy se mění na spermatocyty druhého řádu.

Druhé meiotické dělení produkuje 4 haploidní spermatidy.

Začíná období formace. V buňce se jádro zhutní, množství cytoplazmy se sníží a vytvoří se bičík. Také se ukládají bílkoviny a zvyšuje se počet mitochondrií.

Tvorba vajíček v těle dospělé ženy probíhá následovně:

Z oocytu 1. řádu, kterých je v těle určitý počet, se v důsledku meiózy s polovičním počtem chromozomů tvoří oocyty 2. řádu.

V důsledku druhého meiotického dělení vzniká zralé vajíčko a tři malá redukční tělíska.

Toto nevyvážené rozdělení živin mezi 4 buňky má poskytnout velký zdroj živin pro nový živý organismus.

Vajíčka u kapradin a mechů se tvoří v archegonii. Ve více organizovaných rostlinách - ve speciálních vajíčkách umístěných ve vaječníku.