§ 38. Половые клетки. Гаметогенез

Вопрос 1. Как происходит половое размножение у растений и животных?

Растения размножаются как бесполым, так и половым способом. Половое размножение у разных систематических групп растений имеет свои особенности. Так, например, у покрытосеменных и голосеменных растений при половом размножении образуются семена. Пыльца, в которой созревают спермии, переносится к органам (пестикам цветков или женским шишкам), где созревают яйцеклетки. После оплодотворения (слияния яйцеклетки со спермием и образования зиготы) в женском органе развивается семя. Оно содержит зародыш нового растения и питательные вещества. Запас питательных веществ увеличивает шансы зародыша на удачное прорастание.

Главными преимуществами семенных растений (покрытосеменных и голосеменных) является то, что 1) для доставки мужских половых клеток им не нужна вода, 2) семя содержит запас питательных веществ. Эти преимущества позволили им расселиться по суше более широко, чем остальные группы растений.

Особенностью полового размножения мхов является то, что у них зеленое растение содержит одинарный набор хромосом, а не двойной, как у большинства организмов. На взрослых растениях мхов с одинарным набором хромосом образуются яйцеклетки и сперматозоиды также с одинарным набором хромосом (что является обычным для половых клеток). Далее сперматозоиды подплывают к яйцеклеткам, которые остаются на взрослом растении, и оплодотворяют их. Из зиготы развивается дочернее растение, содержащее двойной набор хромосом, но это «растение» не покидает материнское и растет прямо на нем, а также питается за его счет. Это дочернее образование является спорофитом, в то время как родительские растения называются гаметофитом. Спорофит у мхов выглядит как коробочка на ножке. В коробочке созревают споры, при созревании которых двойной набор хромосом снова становится одинарным. Когда споры высыпаются из коробочки из них вырастает зеленое растение мха.

Тело папоротников, в отличие от мхов, имеет двойной набор хромосом. На этих растениях образуются споры с одинарным набором хромосом. Они покидают родительские растения и прорастают в так называемые заростки, имеющие в своих клетках одинарный набор хромосом. На заростках образуются яйцеклетки и сперматозоиды. Сперматозоиды подплывают к заросткам, содержащим яйцеклетки, происходит оплодотворение. Из зиготы развивается обычное растение папоротника с двойным набором хромосом. Это молодое растение сначала питается за счет заростка и растет как бы из него. Потом заросток отмирает.

Для мхов, папоротников и других групп споровых растений характерна зависимость от воды. Сперматозоиды могут оплодотворить яйцеклетку, только подплыв к ней по воде.

Сущность полового размножения у животных сводится к тому, что две половые клетки, которых называют гаметы, сливаясь, образуют одноклеточное зиготы (т.е. оплодотворенную яйцеклетку), которая затем путем последовательных делений в свою очередь превращается в полностью развитую взрослую особь.

Вопрос 2. Где в организме человека образуются половые клетки? Какой набор хромосом они содержат?

Яйцеклетки — женские половые гаметы образуются в яичниках, парных органах. Сперматозоиды — мужские половые клетки образуются в семенниках, парных органах.

Половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом (23).

Вопрос 3. Какое строение имеют яйцеклетки и сперматозоиды?

Яйцеклетки — это относительно крупные неподвижные клетки округлой формы. У некоторых рыб, пресмыкающихся и птиц они содержат большой запас питательных веществ в виде желтка и имеют размеры от 10 мм до 15 см. Яйцеклетки млекопитающих, в том числе и человека, гораздо мельче (0,1—0,2 мм) и желтка практически не содержат, так что будущий зародыш может питаться только за счёт материнского организма.

Сперматозоиды — мелкие подвижные клетки, у человека их длина всего около 60 мкм. У разных организмов они отличаются формой и размерами, но, как правило, все сперматозоиды имеют головку (почти полностью занята ядром с гаплоидным набором хромосом), шейки, в которой находится структура, сходная по строению с центриолями, и митохондрии; а также хвоста, образованного микротрубочками и обеспечивающего подвижность всего сперматозоида. В передней части головки находится видоизменённый комплекс Гольджи, называемый акросомой. В этой структуре запасается особый фермент, который необходим для растворения оболочки яйцеклетки, без чего невозможно оплодотворение.

Вопрос 4. Почему яйцеклетки крупнее сперматозоидов?

Яйцеклетки крупнее сперматозоидов, т. к. содержат запас питательных веществ, необходимых для зародыша.

Вопрос 5. Как протекает процесс созревания (мейоз) у мужских и женских гамет?

Третья стадия — это мейоз. Мейоз — это особый способ деления клеток, приводящий к уменьшению числа хромосом вдвое и к переходу клетки из диплоидного состояния в гаплоидное. Будущие гаметы на стадии созревания делятся дважды. Клетки, приступающие к мейозу, содержат диплоидный набор уже удвоенных хромосом.

Профаза первого мейотического деления (профаза I) значительно длиннее, чем профаза митоза. В это время удвоенные хромосомы, каждая из которых состоит уже из двух сестринских хроматид, спирализуются и приобретают компактные размеры. Затем гомологичные хромосомы располагаются параллельно друг другу, образуя так называемые биваленты или тетрады, состоящие из двух хромосом (четырёх хроматид). Между гомологичными хромосомами может произойти обмен соответствующими гомологичными участками (кроссинговер), что приведёт к перекомбинации наследственной информации и образованию новых сочетаний отцовских и материнских генов в хромосомах будущих гамет. К концу профазы I ядерная оболочка разрушается.

В метафазе I гомологичные хромосомы попарно в виде бивалентов, или тетрад, располагаются в экваториальной плоскости клетки, и к их центромерам присоединяются нити веретена деления.

В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалента (тетрады) расходятся к полюсам. Следовательно, в каждую из двух образующихся клеток попадает только одна из каждой пары гомологичных хромосом — число хромосом уменьшается в два раза, хромосомный набор становится гаплоидным. Однако каждая хромосома при этом всё ещё состоит из двух сестринских хроматид.

В телофазе I образуются клетки, имеющие гаплоидный набор хромосом и удвоенное количество ДНК. Спустя короткий промежуток времени клетки приступают ко второму мейотическому делению, которое протекает как типичный митоз, но отличается тем, что участвующие в нём клетки гаплоидны.

В профазе II разрушается ядерная оболочка.

В метафазе II хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, нити веретена деления соединяются с центромерами хромосом.

В анафазе II центромеры, соединяющие сестринские хроматиды, делятся, хроматиды становятся самостоятельными дочерними хромосомами и расходятся к разным полюсам клетки.

Телофаза II завершает второе деление мейоза.

При сперматогенезе на стадии созревания в результате мейоза образуется четыре одинаковые клетки — предшественники сперматозоидов, которые на стадии формирования приобретают характерный вид зрелого сперматозоида и становятся подвижными.

Каждый месяц в одном из яичников у женщины продолжает развитие одна из остановившихся в своем делении клеток. В результате первого деления мейоза образуется крупная клетка — предшественник яйцеклетки и маленькое, так называемое полярное, тельце, которые вступают во второе деление мейоза. На стадии метафазы II предшественница яйцеклетки овулирует, т. е. выходит из яичника в брюшную полость, откуда попадает в яйцевод. Если слияния со сперматозоидом не происходит, не закончившая деление клетка погибает и выводится из организма. Полярные тельца служат для удаления избытка генетического материала и перераспределения питательных веществ в пользу яйцеклетки. Спустя некоторое время после деления они погибают.

Вопрос 6. В чём биологический смысл гаметогенеза?

Гаметогенез обеспечивает сохранение постоянства числа хромосом в клетках организма при половом размножении. Кроме того, при перекрёсте во время конъюгации в гаметах возникают новые комбинации генов, что повышает шансы выживаемости вида.

Вопрос 7. Используя ключевые слова параграфа, постройте основу схемы (ментальной карты), отражающей суть полового размножения организмов.

Вопрос 8. Сопоставьте процессы образования мужских и женских половых клеток. Ответ оформите в виде таблицы.

Вопрос 9. К чему приводит химическое и радиационное повреждение генетического аппарата половых клеток?

Нуклеиновые кислоты весьма чувствительны к прямому действию повреждающих агентов физической (облучение ионизирующей радиацией, ультрафиолетом, видимым светом в присутствии некоторых окрашенных соединений — фотосенсибилизаторов), химической (сернистый и азотистый иприты, эпоксиды, этиленимин, метилсульфонат и т.д.) природы. Их повреждающее действие на ДНК называется генотоксическим.

В значительной мере повреждения нуклеиновых кислот исправляются в результате репарации. В противном случае возникают нарушения в геноме и работе системы биосинтеза белка.

Наиболее чувствительны к генотоксическому действию клетки, способные к делению (эмбриональные, герминативные, костного мозга, эпителия почек, кожи, слизистой желудочно — кишечного тракта и т.д.). Последствия нарушения нативной структуры ДНК зависят от дозы повреждающего агента. Так, например, высокие дозы химических генотоксических веществ вызывают цитостатический эффект (гибель пула делящихся клеток), более низкие — канцерогенное, тератогенное, мутагенное действия, что зависит от ряда условий.

Вопрос 10. В чём преимущество полового размножения перед бесполым? Ответ обоснуйте.

При половом размножении, которое осуществляется путем слияния двух половых клеток гамет, происходит обмен генетической информацией родителей. В результате появляется разнообразное по своим признакам потомство, которое может превосходить родителей по жизнеспособности, в том числе при изменении условий среды.

ЗАДАЧИ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ АМИНОКИСЛОТ БЕЛКА

1. В процессе трансляции участвовало 67 молекул тРНК. Определите массу участка ДНК, хранящего информацию о данном белке, если в процессе сплайсинга из иРНК было вырезано 6 интронов по 9 нуклеотидов каждый.

ОТВЕТ. Количество нуклеотидов на иРНК в начале синтеза белка: 67×3=201.

Количество вырезанных нуклеотидов на иРНК в ходе сплайсинга: 6×9=54

Количество нуклеотидов на иРНК до сплайсинга: 54+201=255, значит, столько же нуклеотидов транскрибировалось на участке ДНК.

Зная количество нуклеотидов в ДНК и массу одного нуклеотида (345 у.е.), определим массу участка ДНК: 255×345=87975 у.е.

2. Исследуя водоём в одной из пещер, учёные открыли не известные ранее науке бактерии. Их детальное изучение показало, что они принадлежат к трём близкородственным видам, которые произошли от общего предка. Эти виды (А, В и С) различаются лишь по строению одного мембранного белка — рецептора:

Определите состав исходных и мутантных кодонов во всех случаях.

ОТВЕТ. У представителей видов В будут исходные кодоны в 8 — ой позиции — метионин, в 24 — ой позиции — триптофан.

У представителей видов А в 8 — ой позиции — треонин, в 24 — ой позиции — аргинин.

У представителей видов С в 8 — ой позиции — треонин, в 24 — ой позиции — триптофан.

3.Рецептор РНК — содержащего вируса имеет участок с аминокислотной последовательностью серин — глутамин — цистеин — лейцин — пролин, благодаря которому он может узнавать клеточную мембрану и прикрепляться к ней. Эксперименты показали, что рецептор будет нормально функционировать и в случае замены любой аминокислоты из этой последовательности на другую — главное, чтобы их оставалось пять, увеличение или уменьшение количества аминокислот на этом участке приводит к потере функциональности белка.

В поставленном вирусологами опыте под действием некоего мутагена цитозин РНК вируса в результате дезаминирования был заменён на урацил. После учёные выяснили, что получившиеся в результате этого мутантные вирусы не могут заражать новые клетки из — за дефекта участка узнавания. Как вы думаете, в чём заключался этот дефект?

ОТВЕТ. Скорее всего, глутамин, который кодируется кодонами ЦАА и ЦАГ, после замены цитозина урацилом, стал стоп — кодоном (УАА или УАГ).