Репликация дезоксирибонуклеиновой кислоты. Размножение клеток (митоз) и их дифференцировка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Дальневосточный федеральный университет

Школа региональных и международных исследований

Реферат

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

Направление «Востоковедение и африканистика» 032100.62

на тему «Репликация дезоксирибонуклеиновой кислоты. Размножение клеток (митоз) и их дифференцировка»

Выполнил студент гр.Б5206эя

А. Д. Бадмаева

Проверил профессор

И. С. Титов

Владивосток 2013

Содержание

Введение

1. Репликация ДНК

2. Деление клеток (митоз) и их дифференцировка

Выводы

Использованная литература

Введение

Для того, чтобы объяснить, каким образом может самокопироваться (редуплицироваться), такая стабильная и замкнутая на себя структура, как двойная спираль ДНК, Уотсон и Крик предположили, что ее цепи способны к раскручиванию и последующему частичному разделению вследствие разрыва водородных связей в каждой комплементарной паре оснований. Образовавшиеся одноцепочечные участки родительской молекулы могут служить матрицей, к которой по принципу комплементарности оснований присоединяются соответствующие нуклеотиды. Этот механизм обеспечивает возможность такого распределения ДНК между делящимися клетками, при котором каждая дочерняя клетка получает гибридную двухцепочечную молекулу ДНК, состоящую из родительской и вновь синтезированной цепей.

Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей организации зависит от генетической информации, которая сохраняется в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК - это вещество, из которого состоят гены. Размножение живых организмов, передача наследственных свойств из поколения в поколение и развитие многоклеточного организма из оплодотворенной яйцеклетки возможны потому, что ДНК способна к самовоспроизведению. Сам процесс самовоспроизведения ДНК называется репликацией.

В данной работе предпринята попытка разобраться в таких вопросах, как, почему клетки определенного организма синтезируют только свойственные им белки, как происходит механизм передачи наследственной информации и где она хранится.

1. Репликация ДНК

наследственность репликация дезоксирибонуклеиновый митоз

Одним из свойств материала наследственности является его способность к самокопированию. Другими словами, молекулы ДНК обладают способностью, неприсущей ни одной другой молекуле - способностью к удвоению или самокопированию. Процесс удвоения молекул ДНК называется репликацией. В основе репликации лежит принцип комплементарности - образование водородных связей между нуклеотидами А и Т, Г и Ц. [5, с.38-39]. Так, данное свойство обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК, состоящей из двух комплементарных цепей. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь называют полуконсервативным.

Для осуществления репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга. Чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул. С помощью фермента геликазы двойная спираль ДНК в отдельных зонах расплетается. Образующиеся при этом одноцепочечные участки связываются специальными дестабилизирующими белками. Молекулы этих белков выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей, растягивая их остов и делая азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. Области расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. В каждой такой области при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируется ДНК двух новых дочерних молекул. В процессе синтеза репликационная вилка движется вдоль материнской спирали, захватывая все новые зоны [1, c.71-71].

Способность ДНК-полимеразы осуществлять сборку полинуклеотида в направлении от 5 к 3-концу при антипараллельном соединении двух цепей ДНК означает, что процесс репликации должен протекать на них по-разному. Действительно, если на одной из матриц (53) сборка новой цепи происходит непрерывно от 5 - к 3-концу и она постепенно удлиняется на 3-конце, то другая цепь, синтезируемая на матрице (53), должна была бы расти от 3- к 5-концу. Это противоречит направлению действия фермента ДНК-полимеразы.

В настоящее время установлено, что синтез второй цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами (фрагменты Оказаки) также в направлении от 5 - к 3-концу (по типу шитья «назад иголкой»). У прокариот фрагменты Оказаки содержат от 10000 до 2000 нуклеотидов, у эукариот он значительно короче (от 100 до 200 нуклеотидов). Синтезу каждого такого фрагмента предшествует образование РНК-затравки длиной около 10 нуклеотидов. Вновь образованный фрагмент с помощью фермента ДНК-лигазы соединяется с предшествующим фрагментом после удаления его РНК-затравки.

В связи с указанными особенностями репликационная вилка является асимметричной. Из двух синтезируемых дочерних цепей одна строится непрерывно, её синтез идет быстрее и эту цепь называют лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, так как она собирается из отдельных фрагментов, требующих образования, а затем удаления РНК-затравки. Поэтому такую цепь называют запаздывающей (отстающей). Хотя отдельные фрагменты образуются в направлении 53, в целом эта цепь растет в направлении 3 5. Конечным результатом процесса репликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК.

Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой точки образует единицу репликации - репликон. Однажды начавшись в точке начала (локус ori), репликация продолжается до тех пор пока весь репликон не будет дуплицирован. Кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток имеют один локус ori и представляют собой целиком отдельные репликоны. Эукариотические хромосомы содержат большое число репликонов. В связи с этим удвоение молекулы ДНК, расположенной вдоль эукариотической хромосомы, начинается в нескольких точках. В разных репликонах удвоение может идти в разное время или одновременно [1, c.77-78].

Так процесс репликации осуществляют ферменты ДНК-полимеразы. Под их воздействием цепи молекулы ДНК разделяются на небольшом отрезке молекулы. На цепи материнской молекулы достраиваются дочерние цепи. Затем расплетаются новый отрезок, и цикл репликации повторяется.

В результате образуются дочерние молекулы ДНК, ничем не отличающиеся друг от друга и от материнской молекулы. В процессе деления клетки дочерние молекулы ДНК распределяются между образующимися клетками. Так осуществляется передача информации из поколения в поколение.

Под воздействием различных факторов внешней среды (ультрафиолетового излучения, различных химических веществ) молекула ДНК может повреждаться. Происходят разрывы цепей, ошибочные замены азотистых оснований нуклеотидов и др. кроме того, изменения в ДНК могут происходить самопроизвольно, например, в результате рекомбинации - обмена фрагментами ДНК. Произошедшие изменения в наследственной информации также передаются потомству.

В некоторых случаях, молекулы ДНК способны «исправлять» возникающие в ее цепях изменения. Эта способность молекул ДНК к самовосстановлению называется репарацией. В восстановлении исходной структуры ДНК участвуют не менее 20 белков, которые узнают измененные участки ДНК и удаляют их из цепи, тем самым восстанавливая правильную последовательность нуклеотидов, сшивая восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.

Таким образом, репликация ДНК или генетическое удвоение ДНК происходит перед каждым нормально протекающим делением у эукариот (ДНК ядер, митохондрий, пластид), перед каждым делением прокариотических клеток и размножением ДНК-вирусов. Репликация является необходимой предпосылкой для сохранения имеющейся наследственной информации в ряду последовательных поколений клеток и организмов. Синтез макромолекул ДНК, а также РНК и белков происходит по типу матричного процесса, т.е. новые молекулы синтезируются в точном соответствии с химической структурой уже существующих молекул. Во время репликации ДНК каждая из двух ее цепей служит матрицей для образования новой цепи. В качестве предшественников (мономеров) для построения новой ДНК в клетке синтезируются трифосфаты четырех дезоксирибонуклеозидов: дАТФ (аденозинтрифосфат), дТТФ (тиминтрифосфат), дЦТФ (цитозинтрифосфат), дГТФ (гуанинтрифосфат). Репликация ДНК начинается с раскручивания двойной спирали и разделения ее цепей за счет ферментативного разрыва водородных связей между спаренными азотистыми основаниями. Фермент ДНК-полимеразы движется вдоль каждой из цепей, связывая между собой нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам старой цепи. (3, с.137-138).

2. Деление клеток (митоз) и их дифференцировка

Деление клетки - биологический процесс, лежащий в основе размножения и индивидуального развития всех живых организмов. В многоклеточном организме клетки специализированы, т.е. имеют строго определенное строение и функции. В соответствии со специализацией клетки обладают разной продолжительностью жизни. Например, нервные и мышечные клетки после завершения эмбрионального периода развития перестают делиться и функционируют на протяжении всей жизни организма. Другие - клетки костного мозга, эпидермиса, эпителия тонкого кишечника - в процессе осуществления своей специфической функции быстро погибают, и поэтому в этих тканях клетки непрерывно размножаются.

Таким образом, жизненный цикл клетки представляет собой промежуток времени от момента возникновения клетки в результате деления до ее гибели или последующего деления. В это время клетка растет, специализируется и выполняет свои функции в составе ткани и органов многоклеточного организма. В некоторых тканях (костный мозг, эпителий кишки и др.), где клетки непрерывно делятся, у части из них жизненный цикл совпадает с митотическим циклом.

Совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению, а также на протяжении самого митоза называют митотическим циклом [6, c.69].

Митоз, или непрямое деление, - тип клеточного деления, в результате которого дочерние клетки получают генетический материал идентичный тому, который содержался в материнской клетке, и состоит из четырех последовательных фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы. Период жизни клетки между двумя митозами называют интерфазой. Она в десятки раз продолжительнее митоза. В интерфазе синтезируются молекулы АТФ, белков, РНК, удваивается каждая хромосома, образуя две сестринские хроматиды, скрепленные общей центромерой, увеличивается число органоидов цитоплазмы.

1.В профазе спирализуются и утолщаются хромосомы, состоящие из двух сестринских хроматид, удерживаемых вместе центромерой. В результате спирализации хромосом становится невозможным считывание генетической информации с ДНК и прекращается синтез РНК. [6, с.70]. Центриоли (у животных клеток) расходятся к полюсам клетки, распадается ядерная оболочка, исчезают ядрышки и начинает формироваться веретено деления.

2.В метафазе завершается образование веретена деления.

Хромосомы, состоящие из двух хроматид, прикрепляются своими центромерами (первичными перетяжками) к нитям веретена деления. При этом все они располагаются в экваториальной плоскости. Эта структура называется метафазовой пластинкой.

3.В анафазе центромеры делятся, сестринские хроматиды отделяются друг от друга и за счет сокращения нитей веретена отходят к противоположным полюсам клетки. Разделенные хроматиды называются дочерними хромосомами.

4.Завершается митоз телофазой. В телофазе цитоплазма делится, хромосомы раскручиваются, вновь образуя ядрышки и ядерные мембраны. Т.е. дочерние хромосомы достигают полюсов клетки, деспирализуются и становятся плохо видимыми, нити веретена деления разрушаются, вокруг хромосом из мембранных структур цитоплазмы образуется ядерная оболочка, ядрышки восстанавливаются. Два образовавшихся ядра генетически идентичны. После этого следует цитокинез (деление цитоплазмы), в результате которого образуются две дочерние клетки. Органоиды распределяются между ними более или менее равномерно. В животных клетках цитоплазма перешнуровывается, в растительных - в центре материнской клетки образуется перегородка.

В митотическом цикле клетки митоз - относительно короткая стадия, продолжающаяся обычно от 0,5 до 3 ч. Начиная с первого митотического деления оплодотворенной яйцеклетки - зиготы - все дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза, содержат одинаковый набор хромосом и одни и те же гены. [6, c.72].

Биологическое значение митоза заключается в строго равномерном распределении хромосом между ядрами двух дочерних клеток. Это значит, что митоз обеспечивает точную передачу наследственно информации. [7, с.]

В результате митоза: достигается генетическая стабильность, увеличивается число клеток в организме, происходит рост организма, возможны явления регенерации и бесполого размножения у некоторых организмов. [5, с.86-88]

Также Мамонтов С.Г, Захаров В.Б. утверждают, что биологическое значение митоза огромно. Постоянство строения и правильность функционирования органов и тканей многоклеточного организма были бы невозможны без сохранения одинакового набора генетического материала в бесчисленных клеточных поколениях. Митоз обеспечивает такие важные моменты жизнедеятельности, как эмбриональное развитие, рост, восстановление органов и тканей после повреждения, поддержание структурной целостности тканей при постоянной утрате клеток в процессе их функционирования (замещение погибших эритроцитов, слущившихся клеток кожи, эпителия кишечника и пр.)[6, с.73]

Дифференцировка - это процесс формирования морфологических особенностей клеток, обеспечивающих выполнение специфических функций. Процессы дифференцировки клеток наблюдаются на всех этапах онтогенеза, а сам процесс обусловлен избирательной активностью определенных генов. Другими словами, характерные морфологические и функциональные особенности клеток определяются активностью только частью генов из всего генотипа.

По степени специализации клетки можно разделить на недифференцированные и дифференцированные. Но только дифференцированные клетки могут полноценно выполнять свои функции. Поэтому любое нарушение дифференцировки приводит к нарушению или не выполнению функций (опухолевые клетки эндокринных органов, появление в крови незрелых лимфоцитов).

Нормальное функционирование в составе органа - это основной период жизненного цикла клеток. Продолжительность этого периода различна для каждого типа клеток. Но неизбежным завершением ЖЦК является переход в фазу старения и гибели (см. ниже)

Однако некоторые дифференцированные клетки сохраняют способность к пролиферации, поэтому в определенных ситуациях (повреждение органа, сопровождающееся гибелью клеток; увеличение нагрузки на орган) эти клетки переходят в митотический цикл.

Деление представляет собой важный этап существования клетки. Клетка может расти лишь до определенных размеров, пока не достигнет предельного объема. Между массой ядра и массой цитоплазмы существуют так называемые плазменно-ядерные отношения, при которых устанавливается определенное равновесие. Нарушение его приводит к изменениям физиологического состояния клетки, к делению. Однако смысл здесь заключается не только в объемных соотношениях, но в соотношении химического состава ядерного и цитоплазматического материала.

Кухтина Ж.М. утверждает, что не рост клетки определяет начало деления, а, наоборот, деление ведет к росту клетки. Ядро может управлять лишь определенным количеством массы цитоплазмы. При делении вследствие предварительной редупликации генетического материала дочерние клетки получают то же количество ядерного материала, которое было в материнской клетке при уменьшенном вдвое цитоплазматическом материале. Вследствие этого ядро получает способность управлять цитоплазмой. Дочерние клетки растут до размеров материнской клетки. Это приводит к физиологической репродукции, в результате которой общая масса клеточного материала нарастает в геометрической прогрессии.

Деление создает непрерывность существования последовательных поколений клеток и организмов в целом. Деление обеспечивает передачу наследственных признаков, способствует повышению адаптивных возможностей и прогрессивной дифференциации и специализации тканевых систем.

Существует два типа деления - прямое (амитоз) и непрямое (митоз). Последний является наиболее распространенной формой. Его биологическое значение заключается в образовании генетически равноценных дочерних клеток, что достигается способностью клеток к удвоению наследственного материала и равномерным расхождением его за счет образующегося сложного митотического аппарат. При репродукции клеток митоз является основным способом передачи наследственной информации, зашифрованной в ДНК. Он обеспечивает правильное распределение хромосом между дочерними клетками.

Один из вариантов митоза - эндомитоз. С генетической точки зрения, эндомитоз - геномная соматическая мутация. Репродукция ДНК сохраняется, но выпадают некоторые фазы митоза. В результате происходит увеличение числа хромосом при сохранившейся ядерной оболочке и отсутствии цитокинеза (например, политения в клетках двукрылых). Происходит репродукция хромонем, которые не разъединяются, отчего число хромосом в клетке остается прежним, но увеличивается плоидность. Так эндомитоз и политения приводят к образованию полиплоидных клеток, отличающихся кратным увеличением объема наследственного материала. В таких клетках в отличие от диплоидных гены повторены более чем в два раза. Пропорционально увеличению числа генов растет масса клетки, что повышает ее функциональные возможности. В организме млекопитающих полиплоидизация с возрастом свойственна печеночным клеткам.

Амитоз представляет собой деление клетки без образования митотического аппарата и без спирализации хромосом. Некоторые авторы пишут, что он заключается в разделении ядра перетяжкой без сложной перестройки генетического материала в виде конденсации хромосом и их точного разделения между дочерними клетками с помощью веретена деления. Предполагают (хотя это строго не доказано), что вслед за ядром делится цитоплазма. Тщательная проверка с использованием современных методов показала, что ряд явлений, например образование двухядерных печеночных клеток, обусловливается не амитозом, как думали ранее, а незавершенным митозом [1, с.59]. В результате образуются либо равные, либо неравные по размерам клетки с одинаковым содержанием генетического материала. Амитоз - нормальное явление для ряда клеток, связанное с их дифференциацией. В других случаях наступает при патологических состояниях, после облучений, разных других воздействиях, нарушающих митотический аппарат, при измененных условиях существования, например в культуре тканей в случае начинающегося некробиоза [4, с.44-46].

Выводы

Вся информация о строении и функционировании любого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале, основу которого у подавляющего числа организмов составляет ДНК. Роль ДНК заключается в хранении и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах. Чтобы эта информация могла передаваться от одного поколения клеток (и организмов) к другому, необходимо её точное копирование и последующее распределение её копий между потомками. Процесс, с помощью которого создаются копии молекулы ДНК, называется репликацией. Перед тем как разделится, клетки с помощью репликации создают копию своего генома, и в результате клеточного деления в каждую дочернюю клетку переходит одна копия. Благодаря этому, генетическая информация, содержащаяся в родительской клетке, не исчезает, а сохраняется и передаётся потомкам. В случае многоклеточных организмов передача этой информации осуществляется с помощью половых клеток, образующихся в результате мейотического деления и также несущих копию генома (гаплоидного). Их слияние приводит к объединению двух родительских геномов в одной клетке (зиготе). Из неё развивается организм, клетки которого несут генетическую информацию обоих родительских организмов. Таким образом, основное значение репликации заключается в снабжении потомства генетической информацией. Для обеспечения стабильности организма и вида ДНК должна реплицироваться полностью и с очень высокой точностью, что обеспечивается функционированием определённого набора белков. Замечательной особенностью ДНК является то, что она несёт гены кодирующие эти белки, и, таким образом, информация о механизме её собственного удвоения закодирована в ней самой.

Использованная литература

1. Биология. В 2 кн. Кн.1: Учебник для медиц.вузов/ В.Н.Ярыгин, В.И.Васильева, И.Н.Волков, В.В.Синельщикова; Под ред. В.Н.Ярыгина. - 2-изд., испр. - М.: Высшая школа, 1999. - 448с.:ил.

2. Дубинин Н.П. Горизонты генетики. Пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1970. - 560с.: ил.

3. Концепции современного естествознания: учебное пособие/ А.И.Бочкарёв, Т.С. Бочкарёва, С.В. Саксонов. - М.: КНОРУС, 2011. - 312с.

4. Кухтина Ж.М. Руководство к практическим занятиям по цитологии. М.: Просвещение, 1971. - 111с.: ил.

5. Общая биология / С.И.Колесников. - Изд.2-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2006. - 283, [1] с.

6. Общая биология: Учебник для студентов средних проф.учеб.заведений/ С.Г.Мамонтов, В.Б.Захаров. - 8-изд., стер. - М.: Высшая школа, 2007. - 317 с.: ил.

7. Пикеринг В.Р. Биология. - М.: АСТ-ПРЕСС, 1997, - с.125.

Размещено на Allbest.ru