Поняття про мейоз.

Як відомо, процес запліднення організмів супроводжується злиттям ядер статевих клітин (гамет),унаслідок чого кількість хромосом у зиготі подвоюється. Таким чином, повинен існувати ме­ханізм, який би забезпечував зменшення (редукцію) кількості хро­мосом у статевих клітинах порівняно з нестатевими (соматични­ми).Саме таким явищем є редукційний поділ — мейоз.

Мейоз(від грец. мейозіс - зменшення) - редукційний поділ - особливий спосіб поділу клітин, у резуль­таті якого кількість хромосом зменшується вдвічі й клітини перехо­дять з диплоїдного стану в гаплоїдний.

Мейоз відбувається шляхом двох послідовних поділів (кожен з яких, як і мітоз складається з 4 фаз), інтерфаза між якими вкорочена.

2. Перший поділ мейозу.

Під час профазипершого поділу (профази І) починається спіралізація хромосом, однак хроматиди кожної з них не розділяються. В подальшому гомологічні хромосоми зближуються, утворюють пари (кон'югація гомологічних хромосом). Кон'югація - це процес точного та щільного зближення гомологічних хромосом. Під час кон'югації може спостерігатися процес кросинговеру (від англ. кросинговер – перехрест). Кросинговер - цепроцес, під час якого гомологічні хромосоми обмінюються певними ділянками. Це одне з джерел спадкової мінливості.

Через певний час гомологічні хромосоми починають відходити одна від одної. При цьому вже стає помітним, що кожна з хромосом складається з двох хроматид, тобто утворюються комплекси з чоти­рьох хроматид (тетради). У кінці фази гомологічні хромосоми розходяться, тобто тетради розпадають­ся. Зникають ядерця, руйнується ядерна оболонка і починається фор­мування веретена поділу.

У метафазі першого мейотичного поділу (метафазі І) нитки ве­ретена поділу прикріплюються до центромер гомологічних хромо­сом, які лежать не в площині екваторіальної пластинки, як при мі­тозі, а по обидва боки від неї.

Під час анафази першого мейотичного поділу (анафази І) гомо­логічні хромосоми відділяються одна від одної і рухаються до про­тилежних полюсів клітини. Центромери хромосом не роз­діляються і тому кожна хромосома складається з двох хроматид. У кінці фази біля кожного з полюсів клітини збирається половинний (гаплоїдний) набір хромосом. Розходження окремих гомологічних хромосом кожної пари є подією випадковою, тобто невідомо, яка з них відійде до того чи іншого полюса клітини. Це також є одним з джерел спадкової мінливості.

У телофазіпершого мейотичного поділу (телофазі І) формуєть­ся ядерна оболонка, дочірні клітини (не завжди). Отже, внаслідок першого мейотичного поділу ви­никають клітини або лише ядра з гаплоїдним набором хромосом.

3. Другий поділмейозу.

Другий ме­йотичний поділ відбувається як мітоз.

Під час профази II спіралізуються хромосоми, кожна з яких скла­дається з двох хроматид, зникають ядерця, руйнується ядерна обо­лонка, центріолі переміщуються (якщо вони є) до полюсів клітин, починає формуватися веретено поділу. Хромосоми наближуються до екваторіальної пластинки.

У метафазі II завершуються спіралізація хромосом і формуван­ня веретена поділу. Центромери хромосом розташовуються в один ряд уздовж екваторіальної пластинки, і до них приєднуються нитки веретена поділу.

В анафазі II діляться центромери хромосом і хроматиди розходяться до полюсів клітини завдяки скороченню ниток веретена поділу.

Під час телофази IIхромосоми деспіралізуються, зникає вере­тено поділу, формуються ядерця та ядерна оболонка. Завершується телофаза II поділом цитоплазми.

Біологічне значення другого ме­йотичного поділу полягає в приведенні у відповідність кількості ДНК з числом хромосом у дочірніх клітинах.

Таким чином, після двох послідовних мейотичних поділів материнської диплоїдної клітини утворюються чотири гаплоїдні дочірні.

4. Біологічне значення мейозу.

Біологічне значення мейозу:

1) зберігаються постійні для кожного виду набір хромосом (каріотип) та кількість ядерної ДНК(завдяки мейозу дозрілі статеві клітини одержують гаплоїдний набір хромосом, а при заплідненні відновлюється диплоїдний набір, притаманний даному виду організмів);

2) сприяє спадковій мінливості(обмін ділянками між гомологічними хромосомами (процес кро­синговеру), а також незалежне розходження гомологічних хромо­сом до різних дочірніх клітин).

Схема мейозу

2n2c
І поділ.

 

 

1n2c
1n2c  


 

 


1n1c
1n1c
1n1c
1n1c
ІІ поділ.

 

 

Тема: Обмін речовин та енергії. Енергетичний обмін

1. Групи організмів за типами живлення.

За типами живлення розрізняють такі групи організмів:

Автотрофи - організми, здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних, використовуючі для цього різні форми енергії. Одні з них використовують для процесів синтезу енергію світла - це фототрофи (зелені рослини, фотосинтезуючі бактерії й ціанобактерії). Інші організми для цього використовують енергію хімічних реакцій - це хемотрофи (нітрифікуючі, сіркобактерії, залізобактерії тощо).

Гетеротрофи – організми, джерелом енергії для яких є органічні речовини, синтезовані іншими організмами (живі організми, їхні решт­ки або продукти життєдіяльності), які вони одержують з їжею (тварини, гриби та більшість прокаріот).

2. Загальна характеристика обміну речовин та енергії.

Обмін речовин та енергії (метаболізм)- сукупність про­цесів надходження поживних речовин в живі організми з навколишнього середовища, їхнього перетворення та ви­ведення з організму продуктів життєдіяльності.

Процеси, пов'язані з поглинанням із довкілля, засвоєнням і на­копиченням хімічних речовин, які використовуються для синтезу сполук, потрібних для організму, називають асиміляцією. Сукуп­ність реакцій синтезу, що забезпечують ріст клітин і поновлення їхнього хімічного складу, називають пластичним обміном.Про­цеси обміну речовин, які приводять до розкладу певних сполук, нази­вають дисиміляцією. Сукупність реакцій розщеплен­ня складних сполук, які супроводжуються виділенням енергії, на­зивають енергетичним обміном.

Таким чином, асиміляція та дисиміляція - це різні сторони єдиного процесу обміну речовин і перетворення енергіїв живих організмах.

3. Аденозинтрифосфорна кислота та її роль у біоенергетич­них процесах.

Універсальним джерелом енергії для живих організмів є аденозинтрифос­форна кислота (АТФ). Це невипадково, молекула АТФ - нуклеотид, який складається із залишків азотистої основи (аденіну), вуглеводу (ри­бози) та трьох залишків фосфорної кислоти, які зв’язуються макроергічними зв’язками. Ця структура є нестійкою. Під дією ферменту може відщеплюється один залишок фосфор­ної кислоти, АТФ перетворюється на аденозиндифосфат (АДФ), вивільнюючи близько 42 кДж енергії. Коли від молекули АТФ від­щеплюються два залишки фосфорної кислоти, утворюється аденозинмонофосфат (АМФ), при цьому вивільнюється 84 кДж енергії.

Ця енергія використовується для синтезу необхідних організму спо­лук, підтримання певної температури тіла тощо. З іншого боку, час­тина енергії, що вивільнюється, витрачається на синтез АТФ. Таким чином, молекули АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії в клітинах.

4. Енергетичний обмін та його етапи.

Енергетичний обмін організмів здійснюється у три послідовних етапи: підготовчий, безкисневий (анаеробне дихання) та кисневий (аеробне дихання).

І. Підготовчий етап енергетичного обміну.

Підготовчий етап енергетичного обміну у більшості багато­клітинних тварин і людини відбувається у шлунково-кишковому тракті, а також у цитоплазмі клітин одноклітинних організмів. На цьому етапі великі органічні молекули під дією ферментів розщеплюються до мономерів. Ці процеси перебігають з вивільненням незначної кількості енергії, яка розсіюється у вигляді теплоти.

ІІ. Анаеробний етап енергетичного обміну (безкисневе неповне розщеплення).

Цей етап енергетичного обміну відбу­вається в клітинах. Мономери, що виникли на попередньому етапі, зазнають подальшого багатоступеневого розщеплення без участі кис­ню. Найважливішим на безкисневому етапі енергетичного обміну є розщеплення в клітинах молекул глюкози переважно шляхом глі­колізу – складного багатоступеневого процесу розщеплення молекули глюкози на дві молекули піровиноградної (С3Н4О3) або (особливо у м'язових клітинах) молочної кислоти (С3Н6О3), а також молочнокислого і спиртового бродіння (у деяких дріжджів і бактерій; ці реакції подібні до реакцій гліколізу, за винятком кінцевого етапу).

Сумарне рівнян­ня гліколізу має такий вигляд:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 = 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О

піровиноградна кислота

Сумарне рівнян­ня молочнокислого бродіння має такий вигляд:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 = 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О

молочна кислота

Сумарне рівнян­ня спиртового бродіння має такий вигляд:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 = 2С2Н5ОН + 2АТФ + 2Н2О + 2СО2

етиловий спирт

Під час анаеробного етапу енергетичного обмінувиділяється близько 200 кДж енергії.Частина її (майже 84 кДж) витрачається на синтез двох молекул АТФ, а реш­та (приблизно 116 кДж) - розсіюється у вигляді теплоти. Таким чином, процес гліколізу енергетично малоефективний лише 35-40% енергії акумулюється у макроергічних зв'язках АТФ. Це пояснюється тим, що кінцеві продукти гліколіз все ще містять у собі чимало зв'язаної енергії.

ІІІ. Аеробний етап енергетичного обміну (кисневе повне розщеплення).

Кисневий (аеробний) етап енергетичного обміну можливий лише в аеробних умовах (за наявності кисню),коли органічні сполуки, що утво­рилися на безкисневому етапі, окислюються в клітинах до кінцевих про­дуктів - СО2 та Н2О. Цей процес називають тканинним диханням. Воно відбувається в мітохондріях. У внутрішній мембрані мітохондрій розміщений так званий дихальний ланцюг. Його основу утворю­ють переносники електронів, які входять до складу ферментних комплексів, що каталізують окиснювально-відновні реакції. Впродовж аеробного етапу ви­діляється 2600 кДж енергії, що забезпечує синтез 36 молекул АТФ.

Сумарне рівняння аеробного дихання має такий вигляд:

2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 36АТФ + 36Н2О

Сумарне рівняння ІІ і ІІІ етапів енергетичного обміну має такий вигляд:

С6Н12О6 + 38АДФ + 38Н3РО4 + 6О2 = 38АТФ + 6СО2+ 44Н2О

У ході цих процесів виділяється близько 2800 кДж енергії, з якої запасається 1596 кДж, або 55% (у вигляді макроергічних зв'язків АТФ), а 45% - розсіюється у вигляді теплоти. Отже, основну роль у забезпе­ченні клітин енергією відіграє аеробний етап енергетичного обміну.

 

Тема: Пластичний обмін. Біосинтез білків

1. Біосинтез білків як один з основних процесів пластичного обміну.

Однією з найважливіших ознак будь-якої живої клітини є здатність до синтезу білків. Це зумовлено тим, що у ході життєдіяльності молекули білків постійно руйнуються, не можуть виконувати притаманні їм функції. Такі молекули видаляються з клітини, а на томість синтезуються нові, повноцінні.

2. Роль ДНК у синтезі білків. Код ДНК, його властивості.

Генетичний код - властива всім живим організмам єдина система збереження спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот у вигляді певної послідовності нуклеотидів, яка визначає порядок введення амінокислот до поліпептидного ланцюга під час його синтезу.

Ділянка молекули ДНК, яка несе інформацію про первинну структуру одного білка, має назву ген.

Триплет- це ділянка ланцюга ДНК з трьох послідовно розташованих нуклеотидів, яка кодує одну з амінокислот.

Властивості генетичного коду:

1) Код триплетний, тобто встановлено, що кожний амінокислотний залишок у поліпептидному ланцюзі кодується певною послідовністю з трьох нуклеотидів.

2) Код універсальний, тобто єдиний для всіх організмів, які існують на Землі. В усіх організмів одні й ті самі амінокислоти кодуються одними й тими самими триплетами.

3) Код вироджений, тобто одну амінокислоту можуть кодувати кілька різних триплетів, що підвищує надійність генетичного коду.

4) Код однозначний, тобто кожний триплет кодує лише одну певну амінокислоту.

5) Код не перекривається, тобто генетична інформація може зчитуватися лише одним способом. Послідовність нуклеотидів починає зчитуватися із певної точки в одному напрямку, що визначає порядок зчитування триплетів усього ланцюга нуклеотидів.

6) У коді є "розділові знаки", тобто триплети, які не несуть генетичної інформації і лише відокремлюють одні гени від інших. Їх називають спейсерами (від англ. спейс - простір). У генетичному коді також є триплети (УАА, УАГ, УГА), кожен з яких означає припинення синтезу одного поліпептидного ланцюга (так звані стоп-кодони), а триплет АУГ визначає місце початку синтезу наступного.

3. Етапи біосинтезу білка.

Механізм процесу біосинтезу білків з'ясовано у 50-х роках XX сторіччя. На основі робіт багатьох вчених була висунута матрична теорія синтезу білка. Згідно цієї теорії, синтез білка - дуже складний багатоступінчастий процес. У ньому беруть участь ДНК, різні види РНК і різноманітні ферменти. Кожний білок синтезується на своїй особливій матриці і для цього потрібна своя особлива іРНК. Одна молекула іРНК визначає послідовність нуклеотидів з відрізка ДНК, рівного одному гену, і переносить цю інформацію на послідовність розташування амінокислот у поліпептидному ланцюгу одного білка.

Етапи біосинтезу білка:

І. Транскрипція.

Транскрипція- це синтез молекули іРНК на одному з ланцюгів ДНК, який здійснюється за принципом комплементарності.

При цьому кожному з триплетів гену ДНК у іРНК відповідає послідовність з трьох нуклеотидів, які комплементарні нуклеотидам триплету та мають назву кодон. Тобто певному триплету ДНК відповідає кодон іРНК (триплет ДНК - кодон іРНК).

ІІ.Активація амінокислот та приєднання їх до тРНК.

Амінокислоти надходять до рибосоми не самостійно, а у супроводі тРНК. Біля верхівки "листка конюшини" тРНК розташовані три нуклеотиди, що визначають, яку саме амінокислоту слід транспортувати. Ця послідовність нуклеотидів у складі тРНК має назву антикодон, тому що вона комплементарна одному з кодонів іРНК (триплет ДНК - кодон іРНК - антикодон тРНК). Особливий фермент "пізнає" антикодон і приєднує до основи молекули тРНК не яку-небудь, а певну, "свою" амінокислоту. У клітині є стільки ж різних типів тРНК, скільки типів кодонів, кодуючих амінокислоти.

ІІІ. Трансляція.

Трансляція (від лат. транслятіо- передача) - це процес переносу інформації про первинну структуру білка, яка міститься у вигляді послідовності нуклеотидів іРНК, далі у вигляді послідовності амінокислотних залишків молекули білка, що синтезується, який супроводжується ототожненням кожної амінокислоти синтезуємого білка з певним кодоном іРНК через посередництво антикодону тРНК.

IV. Утворення вторинної, третинної та четвертинної структур молекули білка.

На заключному етапі синтезований білок набуває своєї природної просторової структури. За участю відповідних ферментів від нього відщеплюються зайві амінокислотні залишки, вводяться небілкові фосфатні, карбоксильні та інші групи, приєднуються вуглеводи, ліпіди тощо. Лише після цих процесів молекула білка стає функціонально активною.

Всі процеси синтезу білкової молекули здійснюються при участі спеціальних ферментів. А також, що кожна з цих реакцій потребує витрат енергії, джерелом якої є реакції розщеплення АТФ.

 

Тема: Хемосинтез. Фотосинтез

1. Особливості обміну речовин та енергії у різних груп організмів.

Автотрофна асиміляція

Неорганічні речовини Фотосинтез Прості органічні сполуки

(СО2, Н2О та ін.) Хемосинтез (амінокислоти, моносахариди та ін.)

 

Біосинтез Макромолекули тіла

(білки, ліпіди та ін.)

Гетеротрофна асиміляція

Органічні речовини Травлення Прості органічні сполуки

(білки, вуглеводи та ін.) (амінокислоти, моносахариди та ін.)

 

Біосинтез Макромолекули тіла

(білки, ліпіди та ін.)

2. Хемосинтез.

Хемосинтез був відкритий у 1887 році видатним російським мікробіологом С.М.Виноградським.

Хемосинтез - це процес утворення органічних речовин за рахунок хімічної енергії перетворення неорганічних сполук. До хемотрофних організмів на­лежать деякі групи бактерій: нітрифікуючи, сіркобактерії, залізобактерії тощо.

Нітрифікуючи бактерії:

нітрити (солі HNO2)

аміак (NH3)

нітрати (солі НNO3) синтез

Залізобактерії: Fe2+ Fe3+ Е АТФ органічних

Сіркобактерії: сполук

2Н2S + О2 = 2Н2О + 2S

2Н2S + 2Н2О + ЗО2 = 2Н2SО4