Біологія

Розмноження - властивість живих організмів відтворювати собі подібних. Існують два основних способи розмноження - безстатеве і статеве. 

При першому з них (безстатевому) батьківська особина або брунькується, тобто від неї відділяється невелика частина батьківського тіла, яка розвивається потім або в нову особину, або стає більш-менш самостійним членом колонії живих організмів, або розпадається на фрагменти, здатні до самостійного відтворення (наприклад, гідра), або виробляє спори (паразитичні найпростіші). 

При статевому розмноженні дві батьківські особини дають жіночу і чоловічу гамети (статеві клітини), які зливаються, утворюючи новий організм. 

Способи безстатевого розмноження:

1. Поділ одноклітинних (амеба). 
2. Спороутворення (спори грибів і рослин служать для розмноження, а спори бактерій - ні, тому що з однієї бактерії утворюється одна спора. Вони служать для переживання несприятливих умов і розселення).
3. Брунькування: дочірні особини формуються з виростів тіла материнського організму (бруньок) - у кишковопорожнинних (гідра), дріжджів.
4. Фрагментація: материнський організм ділиться на частини, кожна частина перетворюється в дочірній організм (спірогира, кишковопорожнинні, морські зірки).
5. Вегетативне розмноження рослин: розмноження за допомогою вегетативних органів: коріння, листя, спеціалізованих видозмінених пагонів, цибулин, кореневища, бульб, вус.
6. Шизогонія - множинне безстатеве розмноження у найпростіших (форамініфер, споровиків) і деяких водоростей. При шизогонії ядро материнської особини (шизонта), ділиться шляхом наступних один за одним поділів на кілька ядер, і весь шизонт розпадається на відповідне число одноядерних клітин - мерозоїтів. Після декількох безстатевих поколінь настає статевий процес. Зокрема, у циклі їх розвитку споровиків (кокцидії, гемоспоридій) у мерозоїтів, які потрапили в клітини організму господаря, можуть ставати гаметоцитами, з яких утворюються гамети. 

Форми безстатевого розмноження: 1 - бінарний поділ інфузорії; 2 - шизогонія трипаносом; 3 - брунькування гідри; 4 - фрагментація кільчастих черв'яків; 5 - вегетативне розмноження елодеї; 6 - розмноження спорами у зозулиного льону.

Амітоз, або прямий поділ клітини - поділ клітин простим поділом ядра надвоє. Відбувається поза мітотичного циклу, тобто не супроводжується складною перебудовою всієї клітини; спіралізації хромосом також не відбувається. Зрозуміло, що при цьому не забезпечується рівномірний розподіл генетичного матеріалу між дочірніми ядрами. 

Амітоз може супроводжуватися поділом клітини, а може обмежуватися лише поділом ядра без поділу цитоплазми, що призводить до утворення дво- і багатоядерних клітин. 

У більшості випадків амітоз спостерігається в клітинах зі зниженою мітотичною активністю: це клітини, що старіють, або патологічно змінені клітини, часто приречені на загибель (клітини зародкових оболонок ссавців, пухлинні клітини та ін.). 

Клітина, що зазнала амітозу, надалі не здатна вступити в нормальний мітотичний цикл. У порівнянні з мітозом амітоз зустрічається досить рідко. У нормі він спостерігається у високоспеціалізованих тканинах, в клітинах, яким вже не належить ділитися: в епітелії та печінці хребетних, в зародкових оболонках ссавців, в клітинах ендосперму насіння рослин. Амітоз спостерігається також при необхідності швидкого відновлення тканин (після операцій і травм). Амітозом також часто діляться клітини злоякісних пухлин.

Мітоз

Час існування клітини як такої - від ділення до поділу - називають життєвим циклом клітини. Найважливішим компонентом клітинного циклу є мітотичний (проліферативний) цикл. Він являє собою комплекс взаємопов'язаних і узгоджених явищ під час поділу клітини, а також до і після нього. 

Мітотичний цикл - це сукупність процесів, що відбуваються в клітині від одного поділу до наступного і закінчуються утворенням двох клітин наступної генерації. 

Крім цього, в поняття життєвого циклу входять також період виконання клітиною своїх функцій і періоди спокою. У цей час подальша доля клітини є невизначеною: клітина може почати ділитися (вступає в мітоз) або почати готуватися до виконання специфічних функцій. 

Клітинний цикл ділиться на чотири періоди, що складають інтерфазу і власне мітоз, який закінчується поділом клітини.

Мітоз - непрямий поділ клітини, основний спосіб поділу еукаріотичних клітин. 

Клітинний цикл складається з 3 послідовних періодів: 

• пресинтетичний G1, 
• синтетичний S, 
• постсинтетичний G2. 

Вони складають автокаталітичну інтерфазу (підготовчий період).

Фази клітинного циклу:

• Пресинтетична (G1) (2n2c, де n - число хромосом, c - число молекул ДНК). Клітина активно збільшується в розмірах, запасає речовини, необхідні для поділу: білки (гістони, структурні білки, ферменти), РНК, молекули АТФ; 
• Синтетична (S) (2n4c). Відбувається подвоєння генетичного матеріалу шляхом реплікації ДНК (синтез ДНК). Вона відбувається напівконсервативним способом, коли подвійна спіраль молекули ДНК розходиться на два ланцюги й на кожній з них синтезується комплементарний ланцюг. В результаті утворюються дві ідентичні подвійні спіралі ДНК, кожна з яких складається з однієї нового та старого ланцюга ДНК. Кількість спадкового матеріалу подвоюється. Крім цього, продовжується синтез РНК і білків. Також реплікації піддається невелика частина мітохондріальної ДНК (основна ж її частина реплікується в G2 період);
• Постсинтетична (G2) (2n4c). ДНК вже не синтезується, але відбувається виправлення недоліків, допущених при синтезі її в S-фазу (репарація). Також накопичуються енергія і поживні речовини, триває синтез РНК і білків (переважно ядерних). Відбувається розподіл мітохондрій і хлоропластів (тобто структур, здатних до авторепродукції). Синтезуються білки, які згодом будуть утворювати мікротрубочки, з яких складається нитка веретена поділу. 

Фази S і G2 безпосередньо пов'язані з мітозом, тому їх іноді виділяють в окремий період - препрофаза.

Після цього настає власне мітоз, який складається з чотирьох фаз. Процес поділу охоплює кілька послідовних фаз і являє собою цикл. У клітин тіла людини тривалість самого мітозу становить 1-1,5 год, G2-періоду інтерфази - 2-3 год, S-періоду інтерфази - 6-10 год. 

Стадії мітозу

Процес мітозу поділяють на чотири основні фази: профазу, метафазу, анафазу і телофазу. Оскільки він безперервний, зміна фаз здійснюється плавно - одна непомітно переходить в іншу. 

• У профазі збільшується об'єм ядра, і внаслідок спіралізації хроматину формуються хромосоми. До кінця профази видно, що кожна хромосома складається з двох хроматид. Поступово розчиняються ядерця і ядерна оболонка, і хромосоми опиняються безладно розташованими в цитоплазмі клітини. Протягом профази триває спіралізація хромосом, які стають товстими й короткими. Центріолі розходяться до полюсів клітини. Формується ахроматинове веретено ділення, частина ниток якого йде від полюса до полюса, а частина - прикріплюється до центромер хромосом. Вміст генетичного матеріалу в клітині залишається незмінним (2n4c). 

• У метафазі хромосоми досягають максимальної спіралізації та розташовуються впорядковано на екваторі клітини, тому їх підрахунок і вивчення проводять в цей період. Вміст генетичного матеріалу не змінюється (2n4c). 

• У анафазі кожна хромосома «розщеплюється» на дві хроматиди, які з цього моменту називаються дочірніми хромосомами. Нитки веретена, прикріплені до центромерів, скорочуються і тягнуть хроматиди (дочірні хромосоми) до протилежних полюсів клітини. Вміст генетичного матеріалу в клітині у кожного полюса представлено диплоїдним набором хромосом, але кожна хромосома містить одну хроматиду (4n4c). 

• У телофазі хромосоми, які розташувалися біля полюсів деспіралізуються і стають погано видимими. Навколо хромосом у кожного полюса з мембранних структур цитоплазми формується ядерна оболонка, в ядрах утворюються ядерця. Руйнується веретено поділу. Одночасно йде поділ цитоплазми (цитотомія). У клітинах тварин цитоплазма ділиться шляхом перетяжки тіла клітини на дві менших розмірів, кожна з яких містить один диплоїдний набір хромосом. У клітинах рослин цитоплазматична мембрана виникає в середині клітини та поширюється до периферії, розділяючи клітину навпіл. Після утворення поперечної цитоплазматичної мембрани у рослинних клітин з'являється целюлозна стінка. Дочірні клітини мають диплоїдний набір хромосом, кожна з яких складається з однієї хроматиди (2n2c). 

Біологічне значення мітозу

Біологічне значення мітозу полягає в тому, що він забезпечує спадкову передачу ознак і властивостей в ряду поколінь клітин при розвитку багатоклітинного організму. Завдяки точному і рівномірному розподілу хромосом при мітозі все клітини єдиного організму генетично однакові.

Мітотичний поділ клітин лежить в основі всіх форм безстатевого розмноження, як в одноклітинних, так і у багатоклітинних організмів. Мітоз обумовлює найважливіші явища життєдіяльності: ріст, розвиток і відновлення тканин і органів, а також безстатеве розмноження організмів.

Реплікація ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) - біологічний полімер, що складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, з'єднаних один з одним. ДНК локалізується головним чином в ядрі та в період поділу клітини утворює основну частину хромосом; під час інтерфази ДНК входить до складу хроматину. В ядрі ДНК з'єднана з білками, утворюючи нуклеопротеїни. ДНК також міститься в мітохондріях, хлоропластах. 

Реплікація або редуплікація ДНК - процес самовідтворення нуклеїнових кислот, що забезпечує точне копіювання генетичної інформації та передачу її від покоління до покоління. 

При реплікації ДНК нуклеотидна послідовність копіюється (цілком або частково) у вигляді комплементарної послідовності дезоксирибонуклеотидів. У процесі реплікації подвійна спіраль ДНК, що складається з двох комплементарних полінуклеотидних ланцюгів, розкручується на окремі ланцюги та одночасно починається синтез нових полінуклеотидних ланцюгів; при цьому вихідні ланцюга ДНК грають роль матриць. Новий ланцюг, що синтезується на кожному з вихідних ланцюгів, ідентичний іншому вихідному ланцюгу. Коли процес завершується, утворюються дві ідентичні подвійні спіралі, кожна з яких складається з одного старого (вихідного) і одного нового ланцюга. Таким чином, від одного покоління до іншого передається тільки один з двох ланцюгів, які складали вихідну молекулу ДНК, - так званий напівконсервативний механізм реплікації. 

Щоб пояснити, яким чином може самокопіюватися (редуплікуватися), така стабільна і замкнута на себе структура, як подвійна спіраль ДНК, Уотсон і Крик припустили, що її ланцюги здатні до розкручування і подальшого часткового поділу внаслідок розриву водневих зв'язків в кожній комплементарної парі основ. Одноланцюгові ділянки батьківської молекули, які утворилися, можуть служити матрицею, до якої за принципом комплементарності основ приєднуються відповідні нуклеотиди. 

Незалежно від того, містить клітина тільки одну хромосому (як у прокаріотів) або багато хромосом (як в еукаріотів) за проміжок часу, що відповідає одному клітинному поділу, весь геном повинен реплікуватися тільки один раз. Реплікація відбувається в S-фазу клітинного циклу і тягне за собою поділ прокаріотичної або еукаріотичної клітини. Процес реплікації складається з трьох стадій: ініціації (початок процесу), елонгації (власне синтез) і термінації (закінчення процесу). 

Одиниця, за допомогою якої клітина контролює окремі акти реплікації, отримала назву реплікону. Кожен реплікон в кожному клітинному циклі активізується тільки один раз. У ньому обов'язково повинні бути присутніми необхідні для реплікації контролювальні елементи: точка початку (origin), в якій ініціюється реплікація та точка закінчення (terminus), в якій реплікація зупиняється.

У точці початку реплікації починається роз'єднання ланцюгів ДНК, формується реплікаційне “вічко”. Точка, в якій відбувається реплікація, отримала назву вилки реплікації. Реплікація може здійснюватися або в одному, або у двох напрямках. При односпрямованій реплікації уздовж ДНК рухається одна вилка реплікації. При двоспрямованій реплікації від точки початку в протилежних напрямках розходяться дві реплікаційні вилки. Бактеріальний геном представлений одним репліконом. Кожна хромосома еукаріот утворена великою кількістю репліконів, відповідно є багато точок початку реплікації. Це значно скорочує тривалість процесу. У міру проходження реплікації “вічки” поступово розширюються і зливаються один з одним. 

Процес реплікації здійснюється складним ферментним комплексом, який нараховує 15-20 різних протеїнів. 

У молекулі ДНК ланцюги антипаралельні. Це означає, що одна нитка йде в напрямку від 5' кінця до 3', а комплементарна їй - навпаки. Цифри 5 і 3 позначають номери атомів вуглецю дезоксирибози, що входить до складу кожного нуклеотиду. Через ці атоми нуклеотиди пов'язані між собою фосфодіефірнимі зв'язками, і там, де в одного ланцюга 3' зв'язки, в іншого - 5', тому, що він перевернутий, тобто йде в іншому напрямку. 

Основний фермент, який виконує нарощування нової нитки ДНК, здатний робити це тільки в одному напрямку, а саме: приєднувати новий нуклеотид тільки до 3 'кінця. Таким чином, синтез може йти тільки в напрямку від 5 'до 3'. 

Фермент, що каталізує цю реакцію - ДНК-полімераза - не здатний почати матричний синтез на одноланцюговій ДНК, якщо немає хоча б затравкового олігонуклеотиду (РНК-запал), який є комплементарним матриці; їм у багатьох випадках є не ДНК, а РНК. 

Реплікаційна вилка асиметрична: з двох синтезованих дочірніх ланцюгів ДНК один будується безперервно, а інший - з перервами. Перший називають провідним ланцюгом, а другий - тим, що відстає. Синтез другого ланцюга йде повільніше; хоча в цілому цей ланцюг будується в напрямку 3': 5', кожен з її фрагментів окремо нарощується в напрямку 5' : 3'. Завдяки такому непостійного механізму синтезу, реплікація обох антипаралельних ланцюгів здійснюється за участю одного ферменту - ДНК-полімерази, що каталізує нарощування нуклеотидного ланцюга тільки в напрямку 5 ' : 3'. 

Ініціація. Точки початку реплікації на молекулі ДНК мають специфічну послідовність основ, багату парами А-Т (аденін-тимін). Процес починається з того, що з кожною такою послідовністю зв'язуються кілька молекул спеціальних розпізнавальних білків (у прокаріот це білки DnaA). 

Першим починає діяти фермент геліказа. Він забезпечує розплітання подвійної спіралі батьківської ДНК шляхом розриву водневих зв'язків між нуклеотидами. На це витрачається енергія гідролізу АТФ - по дві молекули на поділ 1 пари нуклеотидів. У еукаріотів одночасно відбувається витіснення даної ділянки ДНК зі зв'язку з гістонами та іншими хромосомними білками. 

Оскільки в ДНК ланцюги спірально закручені відносно один одного, то поділ їх геліказою викликає появу додаткових витків перед реплікаційною вилкою. Щоб зняти цю напругу (явище суперспіралізації), молекула ДНК повинна була б провертатися навколо своєї осі один раз на кожні 10 пар нуклеотидів, які розішлися, адже саме стільки утворюють один виток спіралі. В такому випадку ДНК швидко б оберталася з витратою енергії. 

Ця проблема вирішується за допомогою ферментів топоізомераз. Існує два типи топоізомераз (топоізомераза типу I й топоізомераза типу II). Топоізомераза I розриває один з ланцюгів ДНК, і переносить один вільний кінець на себе. Від'єднана ділянка провертається на 360° навколо другого цілого ланцюга і знову з'єднується зі своєю ланцюгом. Цим знімається напруга, тобто усуваються супервитки. Топоізомераза II розриває обидва ланцюга ДНК, переносячи відповідні кінці на себе. Це дозволяє більш ефективно розв'язувати проблему суперспіралізації при розплітанні ДНК. 

Після розплітання подвійної спіралі геліказою, з кожною з двох ниток зв'язуються спеціальні SSB-білки (стабілізаційні ДНК білки). Вони володіють підвищеною спорідненістю до одноланцюгових ділянок ДНК і стабілізують їх в такому стані. 

Механізм дії основних ферментів реплікації - ДНК-полімераз, такий, що синтез нового полінуклеотидного ланцюга не може початися з включення в нього першого нуклеотиду. Синтез йде тільки як подовження вже наявного полінуклеотиду, який комплементарний матриці та утворює з нею двоспіральний комплекс матриця-затравка. У всіх живих системах такою затравкою служить не ДНК, а коротка РНК. РНК-запал синтезується ферментом праймазою (або РНК-полімеразою). 

Елонгація. На цій стадії здійснюється синтез ланцюгів ДНК. Кожен нуклеотид включається в ланцюг лише в разі його комплементарності (відповідності) нуклеотиду, що займає дану позицію в складі матриці. Ферментний комплекс функціонує так, що один з двох ланцюгів зростає з деяким випередженням у порівнянні з іншим ланцюгом. Відповідно, перший ланцюг називається провідним, а другий - запізнілим або тим, що відстає. Найважливіша обставина полягає в тому, що ланцюг, який випереджає, утворюється у вигляді безперервного дуже довгого фрагмента, а ланцюг, що відстає, утворюється у вигляді серії коротких фрагментів - приблизно по 1500 нуклеотидів - це так звані фрагменти Оказакі. У вигляді фрагментів Оказакі синтезується той ланцюг, напрямок утворення якого протилежний напрямку руху відповідної вилки реплікації. Зростання ланцюгів ДНК здійснюється ферментами ДНК-полімеразами. Подовження ланцюга ДНК (або окремого його фрагмента) завжди відбувається в напрямку від 5'-кінця до 3'-кінця. Це означає, що черговий новий нуклеотид приєднується до 3'-кінця ланцюга, що зростає. 

У прокаріотів відомо три ДНК-полімерази: ДНК-полімераза I, ДНК-полімераза II і ДНК-полімераза III . 

Терминация. Для завершення реплікації (термінації) використовуються ферменти лігаза і теломераза. 

В результаті дії попередніх ферментів новосинтезований ланцюг, що відстає, складається з фрагментів, які впритул прилягають один до одного (крім кільцевої ДНК). “Зшивання” сусідніх фрагментів здійснює ДНК-лігаза (фермент створює фосфодіефірний зв'язок). Для здійснення реакції потрібен гідроліз АТФ. 

ДНК-полімеразна система залишає неповністю реплікованими 3'-кінці материнських ланцюгів ДНК, тобто нові ланцюги виявляються укороченими з 5'-кінців. У кожному новому ланцюзі фрагмент Оказакі, що знаходиться у 5'-кінця, як і зазвичай, починається з короткої РНК-затравки (у 5'-кінця ланцюга, що випереджає, теж знаходиться РНК-затравка). РНК-затравки видаляються спеціальними нуклеазами. Але “дірка”, що утворилася, забудуватися дезоксирибонуклеотидами  не може, оскільки ДНК-полімерази не здатні діяти «з нуля», а лише подовжують 3'-кінець вже наявного полінуклеотиду. Тому виходить, що новий ланцюг повинен бути коротше старого. Ця проблема вирішується за допомогою ферменту теломерази. Теломераза подовжує не новий, укорочений ланцюг, а старий, довший. До 3'-кінця старого (батьківського) ланцюга теломераза послідовно прилаштовує кілька сотень повторюваних послідовностей. Після чого значно подовжений старий ланцюг стає здатним виступати як матриця для утворення ще одного фрагмента Оказакі нового (укороченого) ланцюга. Таким чином відновлюється довжина теломерної ділянки. Існують і інші, альтернативні механізми подовження теломерів. Теломерні ділянки необхідні для фіксації хромосом до ядерного матриксу, що важливо при мейозі. Крім того, наявність теломерів оберігає від неповоної реплікації генетично значущі відділи ДНК. Нарешті, теломерні відділи ДНК виступають в якості “годинникового” механізму, який відраховує кількість поділів клітини після зникнення теломеразної активності. Кожний поділ призводить до вкорочення теломерів на 50-65 нуклеотидних послідовностей (крім статевих, ракових, стовбурових клітин, де активність теломерази висока).