Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Клітинний цикл.
Послідовність подій, що відбуваються між утворенням даної клітини і її поділом на дочірні, називається клітинним циклом, або життєвим циклом клітини. Він включає мітоз та інтерфазу (період між двома поділами).
Інтерфаза (від лат. inter — між і грец. phasis — поява), або інтеркінез (від грец. kinesis — рух) — найдовша фаза клітинного циклу, яка займає 70–90% всього клітинного циклу. Вона може бути приготуванням до наступного поділу, або спеціалізацією з зупиненням мітотичної активності. Інтерфаза має три періоди.
Постмітотичний, або пресинтетичний період (період G1, G — перша літера англійського слова gar — проміжок) починається зразу після телофази і триває від близько 0,5 год. до багатьох днів. Характеризує його відсутність реплікації ДНК та перевага анаболічних процесів над катаболічними, оскільки клітина повинна нарощувати свою масу після поділу, відновити необхідний набір органел, а також збільшувати каріолему, поверхня якої після поділу повинна збільшитися сумарно (в обох клітинах) як мінімум у 2,6 разу. У цей період посилюються в клітині процеси транскрипції та трансляції, синтезуються особливі тригерні (від англ. trigger — спусковий механізм) білки, або активатори S-періоду. Вони забезпечують досягнення клітиною певного порога — точки R, або рестрикції (обмеження), після чого клітина вступає в S-період.
Якщо клітина не досягає точки R, вона припиняє поділ і вступає в період репродуктивного спокою (G0). Різні клітини можуть перебувати в репродуктивному спокої і дальше доля їх буває різною. (1) Стовбурові клітини різних тканин (наприклад, кровотворні), які на довгий час виходять з циклу, хоч зберігають здатність до поділу (2). Клітини, які диференціюються і розпочинають функціональну спеціалізацію. Одні з них назавжди втрачають здатність до поділу (наприклад, клітини крові, епідермісу тощо), інші можуть повертатися в цикл (наприклад, клітини печінки після видалення її частини). (3) Високодиференційовані клітини, які незворотно втрачають здатність до поділу (наприклад, нервові клітини), хоч останнім часом з’являються дані про можливість поділу нейронів. Залежно від причин зупинки поділу клітини G0-періоду можуть (4) здійснювати репарацію пошкодженої ДНК, чи (5) вижити в умовах недостатності поживних речовин або факторів росту. Частина клітин, яка продовжує ділитися, переходить у синтетичний період (S).
Синтетичний період (S) — це період, в якому значно спадає синтез конститутивних і ферментативних білків, а функція клітини спрямовується на реплікацію ДНК (з 2 с до 4 с) і синтез гістонів — основних білків, зв’язаних з відтворенням геному. Гістони поступають з цитоплазми в ядро і забезпечують нуклеосомну упаковку синтезованої ДНК. Одночасно здійснюється подвоєння центріолі. Триває цей період 6–12 годин, як у рослинних, так і в тваринних клітинах.
Постсинтетичний, або премітотичний (передпрофазний, G2) період. Клітина готується до мітозу. Самореплікуючі органели діляться, зростають транскрипційна і трансляційна активності, пов’язані головним чином, з синтезом мітотичного веретена (білка тубуліну). Під кінець G2-періоду з тубуліну і динеїну полімеризуються довгі мікротубули, які заходять між хроматиди. У клітинах, що мають центросоми (в тварин і грибів), останні діляться на дві, які визначають полюси поділу. Тривалість цього періоду від 0,5 до 1 години.
Функцію регуляції поділу клітини або її виходу з поділу здійснюють cdc (cell division cycle) гени, що відповідають за синтез білків, які індукують поділ і стримують його. На рівні точки R (при переході з G1 до S-періоду) вступає в дію стримуючий фактор, який обмежує можливість нерегульованого розмноження клітин.
Мітоз (від грец. mitos — нитка), каріокінез, непрямий поділ, — це основний спосіб поділу еукаріотичних клітин, при якому з однієї материнської клітини утворюються дві дочірні, які є генетичними копіями материнської клітини. У процесі мітозу умовно виділяють декілька етапів, які послідовно змінюють один одного: профазу, метафазу, анафазу і телофазу.
Профаза. Клітина припиняє виконувати специфічні функції в організмі. Тваринна клітина може змінювати форму та відокремлюватися. У профазі зміни відбуваються як у цитоплазмі, так і в ядрі клітини. Найважливіші ознаки профази — конденсація хромосом, розпад ядерець і початок формування веретена поділу.
У результаті руйнації цитоскелету вивільняються молекули тубуліна, з яких будується веретено поділу (ахроматинове веретено, мітотичне веретено). Центріолі починають розходитись до полюсів клітини. Кожна пара центріолей стає частиною мітотичного центру, від якого променями розташовуються мікротрубочки, утворюючи «зірку». Так починає утворюватись веретено поділу.
Ядерна оболонка під дією ферментів лізосом розпадається на дрібні фрагменти, поступово зменшуються і зникають ядерця. Хромосоми у зоні колишнього ядра спірализуються. Спочатку вони розміщені хаотичним клубком, хоча вже видно, що кожна складається з двох спіралеподібних ниток — хроматид, які прилягають одна до одної по всій довжині, але сполучені між собою лише в ділянці первинної перетяжки (центромери). Потім вони коротшають і товщають, через деякий час їх уже добре видно у світловий мікроскоп, можна підрахувати їхню кількість, розглянути форму.
З кожного боку центромери у хромосом утворюються кінетохори, від яких простягаються кінетохорні нитки, таким чином, що кожна хромосома зв’язана з кожним з полюсів. Завершується утворення веретена поділу. Загостреними кінцями воно спрямовано до полюсів клітини, а розширена його частина розташовується в центрі клітини. Короткі ахроматинові нитки прикріплені одним кінцем до центромери, а іншим до центріолей, а довгі зв'язують обидва полюси веретена. За своїм хімічним складом це білки, які здатні до скорочення. Під дією протилежно направлених сил хромосома рухається до екваторіальної області.
Метафаза. Третя стадія мітозу триває досить довго. Усі хромосоми перестають рухатися і розташовуються таким чином, що їхні центромери лежать в одній площині, утворюючи так звану «метафазну пластинку» або «материнську зірку», перпендикулярно до ниток ахроматинової фігури. Вона тримається завдяки веретену поділу.
Кожна хромосома утримується завдяки парі кінетохорів та ниток, що йдуть до протилежних полюсів. Хромосоми в цей час мають найменші розміри, під мікроскопом добре видно, що вони складаються з двох сполучених між собою в первинній перетяжці хроматид. Структуру кожної хромосоми видно особливо чітко. У клітинах організму людини найбільші хромосоми в цей період мають розміри близько 10 мкм, а найменші — близько 2 мкм. Визначення числа і вивчення структури хромосом зазвичай проводять у цій стадії.
У всіх соматичних клітинах певного організму міститься певна кількість хромосом. У всіх організмів одного виду число хромосом в клітинах однакове: у хатньої мухи — 12, у дрозофіли — 8, у кукурудзи — 20, у полуниці — 56, у рака річкового — 116, у людини — 46, у шимпанзе, таргана і перцю — 48. Число хромосом не залежить від організації виду і не обов’язково вказує на спорідненість. Але сукупність ознак хромосомного набору (каріотип) — форма, розміри и число хромосом — притаманна тільки певному виду рослин або тварин.
Вивчення деталей будови хромосом метафазної пластинки має дуже велике значення для діагностики захворювань людини, обумовлених порушенням будови хромосом.
У кінці метафази завершується процес відокремлення сестринських хроматид одна від одної. Останнім місцем, де контакт між хромосомами зберігається, є центромера. Після поділу центроміри кожна хроматида стане самостійною дочірньою хромосомою. Метафаза різко закінчується разділенням двох кінетохоров кожної хромосоми.
Анафаза. Це найкоротша фаза, триває декілька хвилин. В’язкість цитоплазми зменшується, парні хроматиди (це одна хромосома) майже одночасно розділяються і починають порівняно швидко переміщуватися до протилежних полюсів клітини. Кожна хроматида при цьому стає самостійною хромосомою. Хромосоми, що розходяться, мають форму зігнутих під гострим кутом ниток, причому місце згину розташоване в ділянці центромери і спрямоване до полюса клітини, а кінці хромосом — до її центру. Нитки ахроматинового веретена при цьому скорочуються. Кількість хромосом, які рухаються до протилежних полюсів, і їхня структура однакові. Рух усіх хромосом в анафазі розпочинається одночасно внаслідок скорочення ниток ахроматинової фігури. Наприкінці анафази починається їхня поступова деспіралізація.
Телофаза. У цій п’ятій заключній фазі завершуються процеси утворення двох дочірніх клітин з материнської. Телофаза починається після того, як дочірні хромосоми, що складаються з однієї хроматиди, досягли полюсів клітини і припинили рух. Після цього вони деспіралізуються, внаслідок чого утворюються клубки із довгих ниток, які переплітаються одна з одною, що характерно для ядра в період між поділами. Навколо кожного з клубків виникає ядерна оболонка, з'являються ядерця. Таким чином формуються дочірні ядра і набувають будови, характерної для клітини до поділу.
Нитки веретена поділу зникають. Клітина поділяється на дві частини (цитокінез) шляхом перешнурування в екваторіальній площині (у тварин) або шляхом утворення перетинки з мембран ендоплазматичної сітки (у рослин). Органели клітини при цьому (мітохондрії, комплекс Гольджі, рибосоми тощо) розподіляються між дочірніми клітинами.
Процес поділу цитоплазми називається цитокінезом і починається наприкінці анафази та в телофазі. Відбувається це таким чином. Мембрана в середній частині клітини (між двома дочірніми ядрами) починає втягуватись усередину в площині метафазної пластинки, утворюється борозна поділу, розташована симетрично, що забезпечує достатньо рівномірний розподіл цитоплазми та органоїдів. Вона поступово поглиблюється, поки не утворюється тонкий місток, який існує деякий час, поки не зруйнується, у результаті чого утворюються дві автономні молоді клітини. Після закінчення мітозу обидві дочірні клітини переходять у порівняно довгий період інтерфази.
Біологічне значення мітозу полягає в тому, що він забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнських клітин дочірнім протягом будь-якої кількості послідовних клітинних циклів. При цьому зберігаються сталість як числа хромосом, так і вмісту молекул ДНК в ядрах дочірніх клітин. Таким чином, мітоз забезпечує стабільність каріотипів, є умовою прояву спадковості і основою існування біологічних видів протягом зміни поколінь.
У різних організмів мітоз протікає дещо по-різному. Наприклад, у тварин клітинний центр містить центріолі, а у квіткових рослин їх немає. У рослинних клітинах борозна поділу не утворється, а будується клітинна стінка, і цитоплазма поділяється іншим способом, ніж у тваринних клітин.
Тривалість стадій мітозу різна і залежить від типу тканини, фізіологічного стану організму, зовнішніх факторів, температури.
У зв’язку з тим, що після поділу клітин материнська клітина ніби «зникає», утворюються дві нові дочірні клітини, може здаватися, що клітини, що здатні до мітозу «безсмертні» і можуть існувати безкінечно довго. Проте це не так, наприклад, у тварин більшість клітин мають обмеження на кількість поділів. На кінцях хромосом є особливі ділянки теломери, у яких багаторазово повторюється певний фрагмент. При кожному поділі теломера скорочується на один такий фрагмент. Таким чином, через певну кількість поділів теломера повністю витрачається. Цікаво, що стовбурові клітини таких обмежень не мають, а ракові клітини якимось чином долають цей бар’єр і можуть ділитися безкінечно.
Клітина може загинути внаслідок старіння. Цей процес називається апоптоз (від грец. апоптозіс — розпад). Внаслідок старіння гинуть клітини, які втрачають здатність до поділу. При цьому вони зазнають значних змін — ущільнюється хроматин, ядро розпадається на окремі частини, зменшується об’єм цитоплазми тощо. Це характерно для нейронів, еритроцитів, ситоподібних трубок тощо.
Клітини можуть гинути внаслідок ушкодження, дії несприятливих факторів. Такий процес називають некрозом (від грец. некрозіс — змертвіння). При цьому, як правило, гинуть не поодинокі клітини, а цілі групи. Некрози розвиваються при багатьох важких захворюваннях людини, наприклад інфаркті міокарда (відмирання ділянок м’язової серцевої тканини). Отже, апоптоз — запланована загибель клітин, а некроз — незапланована. Нестримний поділ клітин, або порушення мітозу можуть свідчити про розвиток онкологічного захворювання.
В організмі мітоз контролюється системою нейрогуморальної регуляції, залежить від нервової системи, на нього впливають гормони надниркових залоз, гіпофіза, щитоподібної і статевих залоз, а також продукти тканинного розкладу, речовини, які виділяються внаслідок функціональної активності клітин.
Регуляційним фактором зовнішнього серодовища є добові ритми. Так у тварин, яким притаманний нічний спосіб життя, максимум мітозів припадає на день, а у денних тварин — на ніч.
Мейоз.
Мейоз (або редукційний поділ) — особливий вид поділу еукаріотичних клітин, характерний тільки статевим клітинам (не соматичним), унаслідок якого хромосомний набір зменшується вдвічі, клітини переходять з диплоїдного стану в гаплоїдний.
Мейоз складається з двох послідовних поділів, аналогічних мітотичним (з деякими відмінностями), інтерфаза між якими вкорочена, а у рослинних клітинах може бути взагалі відсутня.
Історія вивчення мейозу.
Мейоз був вперше вивчений і описаний у яйцях морських їжаків німецьким біологом Оскаром Гертрігом у 1876 році.
У 1883 році мейоз був знову описаний, уже на хромосомному рівні, бельгійським вченим Едуардом фон Бенеденом.
Проте важливість мейозу у спадковості була описана лише у 1890 році німецьким біологом Августом Вайсманом.
Інтерфаза 1
Клітина збільшується в розмірах, активно синтезує білки та акумулює енергію в молекулах АТФ, відбувається реплікація (самоподвоєння) ДНК («копії» називаються хроматидами і тримаються разом на кшталт літери Х в зоні центромери — первинної перетяжки).
Профаза 1
(Найтриваліша за часом у мейозі) Під час цієї фази хромосоми починають ущільнюватися і набувають вигляду паличкоподібних структур (спіралізуються). Після цього гомологічні хромосоми (хромосоми однієї пари) зближуються і кон'югують (тісно прилягають одна до одної по всій довжині, обвиваються, перехрещуються). Так утворюються комплекси з 4 хроматид, сполучених між собою в певних місцях, так звані тетради або біваленти. Водночас триває скорочення і ущільнення хромосом. У цей час складається враження, що в ядрі знаходиться не диплоїдний, а гаплоїдний набір хромосом. Під час кон'югації може здійснюватися і кросинговер, коли гомологічні хромосоми обмінюються певними ділянками. У результаті кросинговеру утворюються нові комбінації спадкового матеріалу. Таким чином, кросинговер є одним із джерел спадкової мінливості.
Через певний час гомологічні хромосоми починають відходити одна від одної. При цьому стає помітним, що кожна з них складається з двох хроматид. Наприкінці цієї фази гомологічні хромосоми розходяться, зникає ядерце, руйнується ядерна оболонка і починає формуватися веретено поділу.
Метафаза 1
Число бівалентів удвічі менше від диплоїдного набору хромосом. Біваленти значно коротші, ніж хромосоми в метафазі соматичного мітозу, і розміщаються в екваторіальній площині. Центромери хромосом з'єднуються з нитками фігури веретена. У цю фазу мейозу можна підрахувати кількість хромосом.
Анафаза 1
Нитки веретена поділу скорочуються, гомологічні хромосоми розходяться до протилежних полюсів клітини (при цьому кожна з них складається з двох хроматид).
Наприкінці анафази біля кожного з полюсів клітини опиняється половинний набір хромосом.
Розходження хромосом кожної пари є подією випадковою, що є ще одним джерелом спадкової мінливості.
Телофаза 1
У кожній з дочірніх клітин формується ядерна оболонка.
В клітинах тварин і деяких рослин хромосоми деспіралізуються і поділяється цитоплазма материнської клітини. В клітинах багатьох видів рослин цитоплазма може не ділитися.
Унаслідок першого мейотичного циклу утворюються клітини або лише ядра з половинним порівняно з материнською клітиною набором хромосом.
Інтерфаза-ІІ
Інтерфаза між першим і другими мейотичними поділами вкорочена (в клітинах багатьох рослин відсутня взагалі): молекули ДНК у цей період не подвоюються, тому клітина майже одразу переходить до другого поділу.
Профаза 2
Хромосоми, кожна з яких складається з двох хроматид, ущільнюються, зникають ядерця, руйнується ядерна оболонка (якщо вона була утворена), хромосоми починають пересуватися до центральної частини клітини, знову формується веретено поділу.
Метафаза-ІІ
Завершується ущільнення хромосом і формування веретена поділу. Як і під час мітотичного поділу, центромери хромосом розташовані в одній площині в екваторіальній частині клітини і до них прикріплюються нитки веретена поділу.
Анафаза-ІІ
(Найкоротша з циклу) Поділяються центромери хромосом, хроматиди кожної з хромосом розходяться до різних полюсів клітини і вже можуть називатися хромосомами.
Телофаза-І1
Хромосоми знову деспіралізуються, зникає веретено поділу, формуються ядерця і ядерна оболонка.
Завершується телофаза другим поділом клітини (відбуваються процеси, обернені до профази-І).
Наслідки мейозу-ІІ
У результаті другого мейотичного поділу кількість хромосом залишається такою ж, як і після першого, але кількість хроматид кожної з хромосом зменшується вдвічі.
Біологічне значення мейозу
Мейоз є досконалим механізмом, який забезпечує сталість каріотипу видів, які розмножуються статевим способом. Завдяки двом мейотичним поділам статеві клітини мають половинний, порівняно з нестатевими, набір хромосом. А набір хромосом, характерний для організмів певного виду, відновлюється під час заплідненняМейоз також забезпечує спадкову мінливість організмів.
Гаметогенез у тварин.
Гаметогенез — це процес утворення статевих клітин. Тварини мають диплоїдний набір хромосом. У процесі гаметогенезу, в основі якого лежить мейоз, утворюються гамети, що мають гаплоїдний набір хромосом. Гамети утворюються у статевих залозах або спеціалізованих клітинах. У тварин це сім’яники та яєчники. Гаметогенез відбувається послідовно у трьох зонах і закінчується дозріванням гамет.
Зона розмноження. У ній містяться первинні статеві клітини з диплоїдним набором хромосом 2п. Клітини в цій зоні діляться шляхом мітозу, що сприяє збільшенню їх кількості.
Зона росту. У цій зоні поділ клітин не відбувається, у них диплоїдний набір хромосом. Вони збільшуються в об’ємі, нагромаджують поживні речовини. Ця зона нагадує інтерфазу.
Зона дозрівання. У цій зоні відбувається мейоз, остаточно формуються і дозрівають гамети.
Сперматогенез — процес утворення чоловічих статевих клітин — сперматозоїдів.
У зоні розмноження у сперматогенній тканині в результаті мітозу утворюються численні клітини — сперматогонії (2n).
У зоні росту сперматогонії трохи збільшуються, і з кожної клітини розвивається сперматоцит І порядку, здатний до редукційного поділу.
В зоні дозрівання у процесі 1-ого поділу мейозу утворюються 2 сперматоцити II порядку, а потім у 2-ому поділі 4 гамети — сперматиди (n).
Усі 4 клітини, однакові за розміром, дозрівають і утворюють 4 сперматозоїди.
Сперматозоїди — невеликі рухливі клітини, що складаються з голівки, шийки та хвостика. Голівка повністю заповнена ядром з гаплоїдним набором хромосом. На загостреній передній частині розташовується апарат Гольджі зі спеціальними ферментами, що розчиняють оболонку яйцеклітини. В шийці знаходяться центріолі та численні мітохондрії, які забезпечують енергією сперматозоїд під час його руху. Хвостик служить для руху сперматозоїда і за будовою схожий із джгутиком в одноклітинних. Усі сперматозоїди, що утворюються, мають однакові розміри.
Оогенез — процес утворення жіночих статевих клітин — яйцеклітин.
У зоні розмноження в оогенній тканині формується велика кількість клітин — оогоній (2n). Вони розмножуються шляхом мітозу.
Кожна оогонія переходить у зону росту, починає інтенсивно збільшуватися в розмірах, накопичує поживні речовини у вигляді зерен жовтка. Вона перетворюється в ооцит І порядку. Процес росту ооцита значно триваліший, ніж сперматоцита.
У зоні дозрівання ооцит І порядку ділиться мейозом нерівномірно. Після 1-ого поділу утвориться 1 велика клітина — ооцит II порядку, в яку переходять усі поживні речовини, і 1 дрібна клітина — первинне полярне або напрямне тільце, де є лише ядро і відсутня цитоплазма. Після 2-ого поділу мейозу з ооцита II порядку утвориться знову 1 велика клітина-яйцеклітина і 1 вторинне напрямне тільце. З первинного напрямного тільця утворяться 2 дрібних вторинних напрямних тільця. Таким чином, під час оогенезу з кожної вихідної клітини утвориться 1 велика яйцеклітина (n) і 3 напрямних тільця (n), що гинуть. Напрямні тільця служать тільки для рівномірного розподілу хромосом під час мейозу.
Яйцеклітина — округла велика нерухома клітина, що містить ядро і багато поживних речовин у вигляді жовтка. Розміри яйцеклітин в різних видів тварин різні. Наприклад, у ссавців діаметр їх складає 0,2 мм-60 мкм, в амфібій
і риб — 3-5 мм, а в рептилій та птахів досягає декількох сантиметрів.
Наприклад, розмір яйцеклітини курки — 3 см. На верхньому полюсі яйцеклітини знаходиться зародковий диск, де розташовується ядро.
Яйцеклітина у будь-якого виду тварин завжди значно більша ніж його сперматозоїди. Поживні речовини яйцеклітини забезпечують розвиток зародка на початковій стадії (у ссавців) або упродовж всього ембріогенезу (у птахів, рептилій).
Спорогенез у рослин.
Здатність до розмноження, або самовідтворення, є одним з обов'язкових і найважливіших властивостей живих організмів. Розмноження підтримує тривале існування виду, забезпечує спадкоємність між батьками і їх потомством у ряді багатьох поколінь. Воно призводить до збільшення чисельності особин виду і сприяє його розселення. У рослин, переважна більшість яких веде прикріплений спосіб життя, розселення в процесі розмноження - єдиний спосіб зайняти більшу територію проживання.
Розрізняють два типи розмноження: безстатеве і статеве. В, безстатевому розмноженні бере участь тільки одна батьківська особина, яка ділиться, нирку і утворює спори. Розмноження за допомогою вегетативних органів у рослин називається вегетативним. У разі статевого розмноження особини нового покоління з'являються за участю двох організмів - материнського і батьківського.
Вегетативне розмноження засновано на здатності організмів відновлювати (регенерувати) відсутні частини. Цей спосіб розмноження широко поширений в природі, але з найбільшою різноманітністю воно здійснюється у рослин, особливо у квіткових.
Безстатеве розмноження характеризується тим, що для відтворення потомства утворюються спеціалізовані клітини - спори, кожна з яких проростає і дає початок новому організму. Спороутворення зустрічається в найпростіших (малярійний плазмодій), грибів, водоростей, мохів, плаунів, хвощів і папоротей. У голо - і покритонасінних рослин суперечки безпосередньо в процесі, розмноження не беруть участь.
Спори утворюються шляхом мітозу або мейозу у звичайних вегетативних клітинах материнського організму або спеціальних органах - спорангіях і являють собою мікроскопічні одноклітинні освіти.
При будь-якій формі безстатевого розмноження - частинами тіла або споркамі - спостерігається збільшення чисельності особин даного виду без підвищення їх генетичного різноманіття: всі особини є точною копією материнського організму. Ця особливість використовується людиною для отримання однорідного, з гарними ознаками, потомства у плодово-ягідних, декоративних та інших груп рослин. Нові ознаки у таких організмів з'являються тільки в результаті мутацій.
Синаптонемальний комплекс.
Сінаптонемний комплекс ( СК) - білковий комплекс , що формується між гомологічними хромосомами (двома парами сестринських хроматид ) в ході мейозу . Сінаптонемний комплекс імовірно є сполучною ланкою між хромосомами під час спарювання ( синапсису ) .Сінаптонемний комплекс описав в 1956 році Montrose J. Moses в первинних сперматоцитах річкового рака , а також D. Fawcett в сперматоцитах голуба , кішки і людини.
функціїЗараз доведено , що сінаптонемний комплекс не є необхідним для генетичної рекомбінації . У ході досліджень було показано , що він формується вже після рекомбінації , а мутантні клітини дріжджів , нездатні до утворення сінаптонемного комплексу , продовжують вступати в обмін генетичним матеріалом ( тобто рекомбінацію ) . В даний час вважається , що СК виступає в ролі « опори » для проходження нормального кросинговеру між гомологічними хромосомами.
структураЯк видно в електронний мікроскоп , сінаптонемний комплекс складається з трьох частин: двох паралельних подовжніх бічних ділянок і центрального елемента . Було описано 3 специфічних білка сінаптонемного комплексу : SYCP1 , SYCP2 і SYCP3 . Поздовжні елементи сформовані насамперед білком SYCP3 і в другу чергу - білком SYCP2 . Крім того , вони включають поперечні філаменти , що складаються з білка SYCP1 . Центральний білок складається з білка SYCP1 і як мінімум двох додаткових білків. У людини ген SYCP1 локалізований на хромосомі 1p13 , SYCP2 - на хромосомі 20q13.33 , SYCP3 - 12q .СК можна побачити у світловий мікроскоп з використанням мічення сріблом або за допомогою імунофлуоресцентного технологій з міченням білків SYCP3 або SYCP2 .Така « трьохскладена » структура видна стадії пахітени профази першого поділу мейозу як у чоловічих , так і у жіночих особин в процесі гаметогенезу . До пахітени в ході лептотени починають формуватися бічні елементи , їх формування завершується до стадії зиготи . По завершенні пахітени СК розпадається і вже більше невидимий.Сінаптонемний комплекс відображає характер справно ( синапсису ) гомологічних хромосом і може використовуватися для виявлення відхилень у спарюванні хромосом у особин з хромосомними аномаліями ( за кількістю або структурі) . Статеві хромосоми у ссавців чоловічої статі піддаються лише неповного синапсису , так як в парі XY формується тільки короткий СК.Сінаптонемний комплекс у різних еукаріотичних організмів структурно відрізняється дуже мало , хоча між білками є серйозні відмінності . У багатьох організмів СК несе одне або декілька « рекомбінаційних потовщень » , приурочених до його центральному простору. Такі потовщення , ймовірно , відповідають вже сталася рекомбінації на цій ділянці ділянці.
Генетична рекомбінація.
Генетична рекомбінація або просто рекомбінація — процес, у якому ланцюжок ДНК розривається, а потім його фрагменти об'єднуються в іншому порядку.
У вищих організмів рекомбінація здійснюється при незалежному розходженні хромосом під час процесу мейоза, або при обмінні ділянками гомологічних (парних) хромосом-кросинговері. Цей процес приводить до утворення геномів потомків, що мають різні комбінації генів своїх батьків, і можуть мати нові химерні аллелі. У еволюційній біології вважається, що така перестановка генів надає організму багато переваг, зокрема можливість уникнення храповика Мюллера.
Існують і приклади негомологічної рекомбінації. Найпоширеніший приклад — негомологічне з'єднання кінців (NHEJ, від англ. non-homologous end joining), що відбувається під час репарації дволанцюжкових розривів ДНК.
У молекулярній біології термін «рекомбінація» може також послатися на штучну і навмисну рекомбінацію певних ділянок ДНК, часто отриманих із різних організмів, створюючи так завну рекомбінантну ДНК.
Процеси рекомбінації в природі каталізуються ферментами-рекомбіназами. RECA, рекомбіназа бактерії E. coli, відповідає за репарацію подвійних розривів ДНК. У дріжджах і інших еукарічних організмах для відновлення дволанцюжкових розривів потрібні дві рекомбінази. Білок RAD51 потрібний як для мітотичної рекомбінації, так і для мейотичної, тоді як білок DMC1 специфічний до мейотичної рекомбінації.
Молекулярний механізм гомологічної рекомбінації.
Гомологі́чна рекомбіна́ція — поширений тип генетичної рекомбінації, процес фізичної перестановки фрагментів між двома ланцюжками ДНК. Гомологічна рекомбінація залучає гібридизацію гомологічних послідовностей, кросинговер між цими ланцюжками ДНК, розрив і репарацію ДНК. Вона відбувається в природі під час статевого розмноження всіх організмів, що розмножуються статевим шляхом. Крім того, гомологічна рекомбінація використовується в молекулярній біології для навмисного внесення змін в організм.
Структура Холідея.
Структура Холідея — рухоме з'єднання між чотирма ланцюжками ДНК. Названа на честь Робіна Холідея, який запропонував її в 1964 році, досліджуючи обмін генетичної інформації в дріжджах (хоча структура існує практично у всіх еукаріотів) під час гомологічної рекомбінації.
Формування структури Холлідея .
1 . Після реплікації ДНК і, отже , подвоєння хромосом , в ранній профазі мейозу спостерігається попарне зближення сестринських хроматид гомологічних хромосом з утворенням бівалентов (тобто кон'югація ) .
2 . У кожній молекулі ДНК на двох зближених гомологічних ділянках несестрінскіх хроматид фермент ніказа робить симетричні одноланцюгові розрізи .
3 . Вільні кінці ланцюгів близько розривів відокремлюються від комплементарних партнерів і перекидаються на проломи , що утворилися в гомологічних молекулах ДНК.
4 . Кінці перекинутих ланцюгів лігуються з кінцями ланцюгів реципієнтних молекул ДНК , при цьому утворюється хрестоподібна структура Холлідея з гібридним районом , гетеродуплексом . Таким чином , дві претерпевшие рекомбінацію хроматиди складаються в області кінцевих відділів з батьківських ланцюгів ДНК , а в середині - з ділянок , отриманих від протилежних батьківських молекул.
5 . Центр структури Холлідея , що складається з двох полухіазм , може перемішатися уздовж спарених ланцюгів ДНК подібно замку застібки «блискавка» , розмикаючи водневі зв'язки між комплементарними підставами всередині однієї батьківської молекули ДНК і замикаючи відповідні зв'язки між основами ланцюгів з двох різних молекул ДНК. У результаті такої міграції полухіазм в обох батьківських молекулах ДНК можуть утворюватися протяжні гетеродугшексние ділянки ( у дріжджів зона гібридної ДНК досягає 1000 П.Н ) .
6 . Структура Холлідея , що складається з двох пар ланцюгів (одна пара пересічних , інша - непересічних ) , спонтанно і під контролем може піддаватися ізомеризації . Щоб відновити біспіральні структуру обох молекул ДНК і таким чином закінчити процес їх кон'югації , пересічні ланцюги повинні бути розрізані . Ще одна ізомеризація з поворотом однієї з полухіазм навколо точки перехрещення на 180 ° призводить до утворення другого ізомерної форми структури Холлідея .
7 . При розрізуванні отриманого ізомеру по горизонтальній осі (у ланцюгах , що зазнали обмін) дві утворилися молекули ДНК не є рекомбінантними по батьківським маркерами (АВ і ab ) , фланкирующим область перехрещення , але обидві містять по гетеродуплексному ділянці.
8 . При розрізуванні по вертикальній осі (у інтактних ланцюгах ) утворилися лінійні молекули рекомбінантного по батьківським генетичними маркерами , розташованим по обидва боки від гетеродуплексного ділянки ДНК. Етапи 7 і 8 завершуються лігуванням решт фрагментів , складових рекомбінантні і нерекомбінантні молекули. Інтенсивне вивчення рекомбінації у бактерій зробило більш зрозумілою молекулярну організацію деяких її етапів. Встановлено , що гомологичная рекомбінація у E.coli контролюється генами rec А , В, С і D. Ідентифіковано ферменти , які є білковими продуктами цих генів. Довгий час вважали, що ключову роль у забезпеченні всіх процесів загальної рекомбінації у Є. coli відіграє білок RecA . По-перше , він бере участь у розплітання подвійної спіралі , сприяючи кон'югації молекул ДНК , стабілізації вільних кінців і взаємодії рекомбінуючих комплементарних ланцюгів . По-друге , білок RecA каталізує переорієнтацію ланцюгів з утворенням структури Холлідея та подальшої міграцією полухіазм . Цілком імовірно , що білок RecA в умовах його підвищеної продукції безпосередньо бере участь у репарації , направляючи рекомбінацію між пошкодженими і неушкодженими ділянками молекул ДНК. Накопичені експериментальні дані дозволяють зробити висновок , що проміжним етапом рекомбінації у Є. coli також є формування і дозвіл структур Холлідея . Таким чином , модель , спочатку запропонована для пояснення молекулярного механізму рекомбінації у еукаріотів , здавалася застосовувану і до прокаріотів . Це дозволяє припускати значну схожість процесів рекомбінації у тих і у інших. Дійсно , у дріжджів виявляються гени , подібні з rec А.
Функції генів rec В, rec С і rec D стали прояснюватися лише в останні роки . В даний час відомо , що продукти саме цих генів відіграють провідну роль у формуванні вільних кінців , тобто саме вони опосередковують початковий етап рекомбінації . При цьому кожна з трьох субодиниць комплексу функціонує високо специфічно. Про це свідчить той факт , що мутанти rec В, rec С і rec D мають різні властивості : у штамів rec В і rec С різко знижена частота рекомбінації і підвищена чутливість до ДНК - ушкоджувальним агентам . Крім того вони характеризуються низькою виживанням . Все це свідчить про їх нездатності репарирувати пошкодження ДНК шляхом гомологичной рекомбінації . Мутанти recD по виживаності не відрізняються від штамів дикого типу , отже , рекомбінаційний шлях репарації у них не порушений.
У бактерій отримано багато мутантів , нездатних до рекомбінації , та ідентифіковано 10-20 відповідних локусів . Очевидно , навіть у прокаріот рекомбінація представлена різними системами , які контролюються специфічними генами і функціонують в певних умовах. Однак , у всіх випадках , чи йде мова про традиційну рекомбінації , пов'язаної з кон'югацією бактерій , або про рекомбінації , що ініціюється ушкодженнями ДНК (як у випадку пострепликативной репарації ) , або про рекомбінації з фагів геномом , необхідними передумовами рекомбінації є три моменти. Це - освіта одноланцюжкові ділянки , освіта вільного З' - кінця , а , крім того , одноцепочной ділянку і вільний 3'- кінець повинні бути в області гомології одноцепочечной і двухцепочечной днк.