Онлайн-урок №20 "Поділ клітин. Енергетичний обмін речовин"

Клеточный цикл

Клеточный цикл – жизнь клетки от момента ее появления до деления или смерти. Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический цикл, который включает в себя период подготовки к делению и собственно митоз. Выделяют две больших фазы: интерфазу и деление клетки (митоз или мейоз).
Интерфаза состоит из трех периодов: пресинтетического, или постмитотического, – G1, синтетического – S, постсинтетического, или премитотического, – G2.

Митоз

Митоз – основной способ деления эукариотических клеток, при котором сначала происходит удвоение наследственного материала, а затем его равномерное распределение между дочерними клетками.

Выделяют четыре фазы митоза: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Перед митозом происходит подготовка клетки к делению, или интерфаза.
Пресинтетический период (2n 2c, где n – число хромосом, с – число молекул ДНК) – рост клетки, активизация процессов биологического синтеза, подготовка к следующему периоду.
Синтетический период (2n 4c) – репликация ДНК.
Постсинтетический период (2n 4c) – подготовка клетки к митозу, синтез и накопление белков и энергии для предстоящего деления, увеличение количества органоидов, удвоение центриолей.
Профаза (2n 4c) – демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления, «исчезновение» ядрышек, конденсация двухроматидных хромосом.
Метафаза (2n 4c) – выстраивание максимально конденсированных двухроматидных хромосом в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка), прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим – к центромерам хромосом.
Анафаза (4n 4c) – деление двухроматидных хромосом на хроматиды и расхождение этих сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки (при этом хроматиды становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами).
Телофаза (2n 2c в каждой дочерней клетке) – деконденсация хромосом, образование вокруг каждой группы хромосом ядерных мембран, распад нитей веретена деления, появление ядрышка, деление цитоплазмы (цитотомия). Цитотомия в животных клетках происходит за счет борозды деления, в растительных клетках – за счет клеточной пластинки.
Биологическое значение митоза. Образовавшиеся в результате этого способа деления дочерние клетки являются генетически идентичными материнской. Митоз обеспечивает постоянство хромосомного набора в ряду поколений клеток. Лежит в основе таких процессов, как рост, регенерация, бесполое размножение и др.

Мейоз

Мейоз – это особый способ деления эукариотических клеток, в результате которого происходит переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное. Состоит из двух последовательных митотических делений, которым предшествует однократная репликация ДНК.
Первое мейотическое деление (мейоз 1) называется редукционным, поскольку именно во время этого деления происходит уменьшение числа хромосом вдвое: из одной диплоидной клетки (2n 4c) образуются две гаплоидные (1n 2c).
Интерфаза 1 (в начале – 2n 2c, в конце – 2n 4c) – синтез и накопление веществ и энергии, необходимых для осуществления обоих делений, увеличение размеров клетки и числа органоидов, удвоение центриолей, репликация ДНК, которая завершается в профазе 1.
Профаза 1 (2n 4c) – демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления, «исчезновение» ядрышек, конденсация двухроматидных хромосом, конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер. Конъюгация – процесс сближения и переплетения гомологичных хромосом. Пару конъюгирующих гомологичных хромосом называют бивалентом. Кроссинговер – процесс обмена гомологичными участками между гомологичными хромосомами.
Метафаза 1 (2n 4c) – выстраивание бивалентов в экваториальной плоскости клетки, прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим – к центромерам хромосом.
Анафаза 1 (2n 4c) – случайное независимое расхождение двухроматидных хромосом к противоположным полюсам клетки (из каждой пары гомологичных хромосом одна хромосома отходит к одному полюсу, другая – к другому), перекомбинация хромосом.
Телофаза 1 (1n 2c в каждой клетке) – образование ядерных мембран вокруг групп двухроматидных хромосом, деление цитоплазмы. У многих растений клетка из анафазы 1 сразу же переходит в профазу 2.
Второе мейотическое деление (мейоз 2) называется эквационным.
Интерфаза 2 или интеркинез (1n 2c), представляет собой короткий перерыв между первым и вторым мейотическими делениями, во время которого не происходит репликация ДНК. Характерна для животных клеток.
Профаза 2 (1n 2c) – демонтаж ядерных мембран, расхождение центриолей к разным полюсам клетки, формирование нитей веретена деления.
Метафаза 2 (1n 2c) – выстраивание двухроматидных хромосом в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка), прикрепление нитей веретена деления одним концом к центриолям, другим – к центромерам хромосом; 2 блок овогенеза у человека.
Анафаза 2 (2n 2с) – деление двухроматидных хромосом на хроматиды и расхождение этих сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки (при этом хроматиды становятся самостоятельными однохроматидными хромосомами), перекомбинация хромосом.
Телофаза 2 (1n 1c в каждой клетке) – деконденсация хромосом, образование вокруг каждой группы хромосом ядерных мембран, распад нитей веретена деления, появление ядрышка, деление цитоплазмы (цитотомия) с образованием в итоге четырех гаплоидных клеток.
Биологическое значение мейоза. Мейоз является центральным событием гаметогенеза у животных и спорогенеза у растений. Являясь основой комбинативной изменчивости, мейоз обеспечивает генетическое разнообразие гамет.

Амитоз

Амитоз – прямое деление интерфазного ядра путем перетяжки без образования хромосом, вне митотического цикла. Описан для стареющих, патологически измененных и обреченных на гибель клеток. После амитоза клетка не способна вернуться в нормальный митотический цикл. 

Метаболизм

Метаболизм – совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме; одно из свойств живой материи. Включает реакции ассимиляции (пластического обмена, анаболизма) и диссимиляции (энергетического обмена, катаболизма). Эти группы реакций взаимосвязаны: реакции биосинтеза невозможны без энергии, которая выделяется в реакциях энергетического обмена, реакции диссимиляции не идут без ферментов, образующихся в реакциях пластического обмена.
Ассимиляция – совокупность реакций биосинтеза, протекающих в клетке.
Диссимиляция – совокупность реакций распада и окисления высокомолекулярных веществ, идущих с выделением энергии.
Автотрофы – организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических и использующие для этого синтеза или солнечную энергию, или энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ.
Гетеротрофы – организмы, использующие для своей жизнедеятельности органические вещества, синтезированные другими организмами. В качестве источника углерода автотрофы используют неорганические вещества (СО2), а гетеротрофы – экзогенные органические.
Миксотрофы – организмы, которые в зависимости от условий ведут себя как авто- либо как гетеротрофы (например, эвглена зеленая).

Биосинтез белков

Центральная догма молекулярной биологии отражает направление условного течения генетической информации: ДНК → РНК → белок. Согласно этой догме, способность клетки синтезировать определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК.
В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция – синтез РНК на матрице ДНК (гена) – и трансляция – синтез полипептидной цепи.
Ген – участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка или функциональной РНК (рРНК, тРНК, мяРНК и др.).
Генетический код – система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК.
Свойства генетического кода:

1. триплетность;

2. непрерывность;

3. однозначность (специфичность);

4. вырожденность (избыточность);

5. универсальность;

6. неперекрываемость;

7. помехоустойчивость.
Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одной хромосомы может содержать несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке.
Локус – место гена в определенном участке хромосомы. Особенностями строения гена эукариот являются:

1. наличие достаточно большого количества регуляторных блоков,

2. мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими).
Экзоны – участки гена, несущие информацию о строении полипептида.
Интроны – участки гена, не несущие информацию о строении полипептида.
Промотор – участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов.
Регуляторные элементы – последовательности, стоящие перед единицей транскрипции, после нее или в интронах. Энхансеры ускоряют транскрипцию, сайленсеры тормозят ее.
Терминатор – содержит СТОП-кодон.
Транскрипция – синтез РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой из рибонуклеозидтрифосфатов (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ). РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3'-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3'- к 5'-концу этой матричной цепи ДНК.
Процессинг или созревание – стадия постсинтетической модификации «незрелой» иРНК (про-иРНК). Включает в себя: 1) КЭПирование 5'-конца, 2) полиаденилирование 3'-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов), 3) сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов).
Трансляция – синтез полипептидной цепи на матрице иРНК рибосомами. Может происходить в цитоплазме, на шероховатой ЭПС, в митохондриях и пластидах. Малая субъединица рибосомы отвечает за генетические, декодирующие функции; большая – за ферментативные.

В трансляции можно выделить три стадии:

  а. инициации (образование иницаторного комплекса),

  б. элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом),

  в. терминации (образование терминирующего комплекса).
  Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислот.
  Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке.
Транспортные РНК служат для транспорта аминокислот к рибосомам. Их длина 75-95 нуклеотидных остатков, имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера.

Схема биосинтеза белка

Фотосинтез

Фотосинтез – синтез органических веществ из углекислого газа и воды с обязательным использованием энергии света:

6СО2 + 6Н2О + Qсвета → С6Н12О6 + 6О2.
  У высших растений органом фотосинтеза является лист, органоидами фотосинтеза – хлоропласты. В мембраны тилакоидов хлоропластов встроены фотосинтетические пигменты: хлорофиллы и каротиноиды. Существует несколько разных типов хлорофилла (a, b, c, d), главным является хлорофилл a. Хлорофиллы поглощают красный и сине-фиолетовый свет, отражают зеленый и поэтому придают растениям характерную зеленую окраску. Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы. У растений и синезеленых водорослей имеются фотосистема-1 и фотосистема-2, у фотосинтезирующих бактерий – фотосистема-1. Только фотосистема-2 может разлагать воду с выделением кислорода и отбирать электроны у водорода воды.
Световая фаза происходит только в присутствии света в мембранах тилакоидов при участии хлорофилла, белков-переносчиков электронов и фермента – АТФ-синтетазы.

  В световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами:

1. синтезом АТФ;

2. образованием НАДФ•Н2;

3. образованием кислорода. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ•Н2 транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.
Темновая фаза протекает в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света, поэтому они происходят не только на свету, но и в темноте. Представляет собой цепочку последовательных преобразований углекислого газа (из воздуха) в глюкозу и другие органические вещества. Также образуются другие мономеры сложных органических соединений: аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды. В настоящее время различают два типа фотосинтеза: С3- и С4-фотосинтез.
Значение фотосинтеза. Благодаря фотосинтезу, ежегодно из атмосферы поглощаются миллиарды тонн углекислого газа, выделяются миллиарды тонн кислорода; фотосинтез является основным источником образования органических веществ. Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от коротковолновой ультрафиолетовой радиации.