Лекция №3. А.Т

Лекция №3.

Тема: Организация потока генетической информации.

1. Структура и функции клеточного ядра.

2. Хромосомы: структура и классификация.

3. Клеточный и митотический циклы.

4. Митоз и мейоз: цитологическая и цитогенетическая характеристика и значение.

1. Клеточное ядро (лат. – nucleus; греч - karyon) было описано в 1831 г. Робертом Броуном. Форма ядра зависит от формы и функций клетки. Размеры ядер изменяются в зависимости от метаболической активности клеток.

Оболочка интерфазного ядра (кариолемма) состоит из наружной и внутренней элементарных мембран. Между ними находится перинуклеарное пространство. В мембранах имеются отверствия – поры. Между краями ядерной поры располагаются белковые молекулы, которые образуют поровые комплексы. Отверстие пор закрыто тонкой пленкой. При активных процессах обмена веществ в клетке большинство пор открыто. Через них идет поток веществ – из цитоплазмы в ядро и обратно. Количество пор у одного ядра достигают 3 – 4 тысяч. Наружная ядерная мембрана соединяется с каналами эндоплазматической сети. На ней обычно располагаются рибосомы. Белки внутренней поверхности ядерной оболочки формируют ядерную пластинку. Она поддерживает постоянной форму ядра, к ней прикрепляются хромосомы.

Ядерный сок – кариолимфа, коллоидный раствор в состоянии геля, который содержит белки, липиды, углеводы, РНК, нуклеотиды, ферменты.

Ядрышко – непостоянный компонент ядра. Оно исчезает в начале клеточного деления и восстанавливается в конце его. Химический состав ядрышек: белок (≈90 %), РНК (≈6%), липиды, ферменты. Ядрышки образуются в области вторичных перетяжек спутничных хромосом. Функция ядрышек: сборка субъединиц рибосом.

Хроматин ядра – это интерфазные хромосомы. Они содержат ДНК, белки – гистоны и РНК в соотношении 1:1,3:0,2.

ДНК в соединении с белком образует дезоксирибонуклеопротеин (ДНП). При митотическом делении ядра ДНП спирализуется и образует хромосомы.

Функции клеточного ядра:

1) хранит наследственную информацию клетки;

2) участвует в делении (размножении) клетки;

3) регулирует процессы обмена веществ в клетке.

Рис. 1. Ядро клетки окружено оболочкой, состоящей из двух мембран.

2. Хромосомы (греч. chromo – цвет, soma - тело) – это спирализованный хроматин.

Хромосома эукариот состоит в основном из белков (50 – 60%) и ДНК, с незначительным количеством молекул РНК (до 10% от количества ДНК). Белки можно подразделить на гистоновые (половина или большая доля белков хромосомы) и негистоновые. В свою очередь гистоновые белки, доля которых в структуре хромосомы составляет до 80%, делятся на 5 основных классов: Н₃, Н₄, Н_2А,Н_2В и Н_1. Различаясь между собой по аминокислотному составу и ряду физико – химических и иммунологических свойств, гистоны всех указанных классов представляют собой небольшие по размерам белковые молекулы, в структуре которых содержится значительное количество основных аминокислот аргинина и лизина, что обеспечивает их положительный электрический заряд. Благодаря этой особенности они могут соединяться с отрицательно заряженной ДНК, образуя ДНК- гистоновый комплекс. Таким образом, гистоны выполняют важную функцию, связанную со специфической упаковкой огромной по размерам молекулы ДНК в весьма компактную структуру хроматиды.

Негистоновые белки (по большей части кислые, в отличие от гистонов) представлены большим количеством различных видов. Показано, что все они участвуют в образовании структур надмолекулярного уровня.

Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, которые соединяются центромерой (первичной перетяжкой). Она делит хромосому на два плеча. Отдельные хромосомы имеют вторичные перетяжки. Участок, который они отделяют, называется спутником, а также хромосомы – спутничными. Концевые участки хромосом называются теломеры. В каждую хроматиду входит одна непрерывная молекула ДНК в соединении с белками – гистонами. Интенсивно окрашивающиеся участки хромосом – это участки сильной спирализации (гетерохроматин). Более светлые участки – участки слабой спирализации (эухроматин).

Типы хромосом выделяют по расположению центромеры.

1. Метацентрические хромосомы – центромера расположена посередине, и плечи имеют одинаковую длину. Участок плеча около центромеры называется проксимальным, противоположный – дистальным.

2. Субметацентрические хромосомы – центромера смещена от центра и плечи имеют разную длину.

3. Акроцентрические хромосомы – центромера сильно смещена от центра и одно плечо очень короткое, второе плечо очень длинное.

Рис. 2. Строение и формы хромосом.

В клетках слюнных желез насекомых (мух дрозофил) встречаются гигантские, политенные хромосомы (многонитчатые хромосомы).

Рис. 3. Политенные хромосомы.

Для хромосом всех организмов существует и правила:

1. Правила постоянства числа хромосом. В норме организмы определенных видов имеют постоянное, характерное для вида число хромосом. Например: у человека 46, у собаки 78, у мухи дрозофилы 8.

2. Парность хромосом. В диплоидном наборе в норме каждая хромосома имеет парную хромосому – одинаковую по форме и по величине.

3. Индивидуальность хромосом. Хромосомы разных пар отличаются по форме, строению и величине.

4. Непрерывность хромосом. При удвоении генетического материала хромосома образуется от хромосомы.

Классификацию хромосом проводят по разным признакам.

1. Хромосомы, одинаковые в клетках мужского и женского организмов, называется аутосомами. У человека в кариотипе 22 пары аутосом. Хромосомы, различные в клетках мужского и женского организмов, называются гетерохромосомами, или половыми хромосомами. У мужчины это X и Y хромосомы, у женщины – X и X.

2. Расположение хромосом по убывающей величине называется идиограммой. Это систематизированный кариотип. Хромосомы располагаются парами (гомологичные хромосомы). Первая пара – самые большие, 22-я пара – маленькие и 23-я пара – половые хромосомы.

В1960 г. была предложена Денверская классификация хромосом. Она строится на основании их формы, размеров, положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников. Важным показателем в этой классификации является центромерный индекс (ЦИ). Это отношение длины короткого плеча хромосомы ко всей ее длине, выраженное в процентах. Все хромосомы разделены на 7 групп. Группы обозначаются латинскими буквами от A до G.

Группа A включает хромосомы 1, 2, 3, причем хромосомы 1 и 3-метацентрики (ЦИ первой хромосомы равен 0,48- 0,49, третьей- 0,45-0,46), а хромосома 2- самый большой субметацентрик (ЦИ 0,38 – 0,40).

Группа B состоит из двух хромосом - 4 и 5. Это большие субметацентрические хромосомы. ЦИ 0, 24 – 0,30.

Группа С включает семь аутосом (с 6 по 12) и половую Х-хромосому. Это метацентрические и субметацентрические хромосомы среднего размера (ЦИ 0,27 – 0,43).

Группа D включает три акроцентрические хромосомы среднего размера: 13,14 и 15.Их центромерный индекс не превышает 0,15 и является наименьшим в кариотипе человека. Для хромосом этой группы характерна значительная межиндивидуальная вариабельность и наличие спутников на коротких плечах. Длина проксимальных участков коротких плеч и спутничных нитей варьирует.

Группа Е также включает три хромосомы с 16 по 18. Это относительно короткие метацентрики и субметацентрики, с ЦИ 0,26 – 0,40.

Группа F состоит из двух небольших метацентрических хромосом (19 и 20). ЦИ 0,36 – 0,46.

Группа G состоит из двух аутосом (21 и 22) и Y-хромосомы. Эти хромосомы имеют небольшой размер и относятся к акроцентрическим с центромерным индексом в пределах 0,13 - 0,33. Для аутосом этой группы характерно наличие спутников на коротких плечах. Парижская классификация хромосом человека создана в 1971году. С помощью этой классификации можно определять локализацию генов в определенной паре хромосом.

Рис. 4. Хромосомы человека (группы, схема сегментации, центромерный индекс).

(G - метод)

Используя специальные методы окраски, в каждой хромосоме выявляют характерный порядок чередования темных и светлых полос (сегментов). Сегменты обозначают по названию методов, которые их выявляют: Q – сегменты – после окрашивания акрихин – ипритом; G - сегменты – окрашивание красителем Гимза; R – сегменты – окрашивание после тепловой денатурации и другие. Короткое плечо хромосомы обозначают буквой p, длинное – буквой q. Каждое плечо хромосомы делят на районы и обозначают цифрами от центромеры к теломеру. Полосы внутри районов нумеруют по порядку от центромеры. Например, расположение гена эстеразы D – 13р1-4- четвертая полоса первого района короткого плеча 13-й хромосомы.

Функция хромосом: хранение, воспроизведение и передача генетической информации при размножении клеток и организмов.

Каждый организм имеет определенный набор хромосом, их число, размеры и структуру, который называется кариотипом. В 1956 г. шведские ученые Дж. Тио и А. Леван убедительно доказали, что число хромосом во всех клетках человека, кроме половых, равно 46. Этот набор хромосом называют диплоидным (парным). Кариотип будущего организма формируется в процессе слияния двух половых клеток – сперматозоида и яйцеклетки. При этом объединяются их хромосомные наборы. Ядро зрелой клетки содержит половину набора хромосом – 23. Такой ординарный набор хромосом, аналогичный такому же в половых клетках, называется гаплоидным и обозначается «n». При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом в новом организме воссоздается специфический для данного вида кариотип. Наследственная информация организма строго упорядочена по отдельным хромосомам. Кариотип – это паспорт вида. Кариотип человека представлен 24 разными хромосомами – 22 пары аутосом, X- и Y- хромосомы. Каждой паре аутосом в порядке убывания их размеров присвоен свой номер от 1 до 22. Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, называют гомологичными. У них одинаковое строение (длина, расположение центромеры и т.д.). Гомологичные хромосомы похожи друг на друга и содержит гены, отвечающие за одни и те же признаки.

Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение. При анализе соматических клеток женского организма можно выделить 23 пары гомологичных хромосом. В кариотипе мужчины обнаруживается одна пара хромосом, отличающихся по размеру и форме друг от друга. Одна из них, большая субметацентрическая хромосома обозначена Х, другая, маленькая акроцентрическая –Y.

Было выявлено, что эти хромосомы определяют пол организма и содержат большинство генов, отвечающих за формирование гениталий (половые хромосомы).

Число хромосом в кариотипе человека равно 46. Кариотип женщины в норме содержит две Х – хромосомы, и его можно записать как 46, ХХ. Кариотип мужчины включает Х- и Y- хромосомы и записывается – 46, XY. В 70 – х гг. ХХ в.был создан международный комитет, который периодически вносит поправки в существующую номенклатуру хромосом по рекомендациям Всемирных конгрессов по генетике человека. Во всем мире с 1995 г. используется Международная система для цитогенетической номенклатуры человека (ISCN), которая опирается на современные достижения молекулярно – цитогенетической диагностики.

Анализ кариотипа позволяет выявлять нарушения, которые могут приводить к аномалиям развития, наследственным болезням или гибели плодов и эмбрионов на ранних стадиях развития. Хромосомы выполняют важную функцию основного генетического аппарата клетки. Для нормального развития организма необходим набор генов полного хромосомного набора.

3. Клеточный цикл (жизненный цикл клетки) – существование клетки от момента ее возникновения в результате деления материнской клетки до ее собственного деления или смерти. Клеточный цикл включает митотический цикл и период покоя. В период покоя (G₀) клетка выполняет свойственные ей функции и избирает дальнейшую судьбу – погибает либо возвращается в митотический цикл.

Совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до следующего и заканчивающихся с образованием двух клеток новой генерации называется митотическим циклом. Митотический цикл состоит из четырех периодов: пресинтетического (постмитотического) – G₁, синтетического – S, постсинтетического (премитотического) - G₂, митоза – M. Первые три периода – это подготовка клетки к делению (интерфаза), четвертый период – само деление (митоз).

Пресинтетический период интерфазы (G₁) в клетке усиленно образуется РНК и белки, повышается активность ферментов, участвующих в биосинтезе. Обычно этот период длится 12 – 24 ч.

Синтетический период (S) следует за G₁ – периодом и характеризуется тем, что в этот период в клетке происходит синтез ДНК, в результате чего количество последней удваивается. В этот период продолжается также синтез РНК и белков. Продолжительность синтеза ДНК – S-фазы митотического цикла – в разных клетках не одинаково: от нескольких минут у бактерий до 6 – 12 ч в клетках млекопитающих. В результате удвоения ДНК, в каждой из хромосом оказывается вдвое больше ДНК, чем было до начала S-фазы, а число хромосом не изменяется.

Постсинтетический период (G₂) характеризуется удвоением центриолей, синтез белков (тубулин), из которых строится ахроматиновое веретено, завершением роста клетки и идет процесс накопления клеткой энергии для последующего деления. Этот период продолжается от 2 – 5 ч. Готовая к делению клетка вступает в митоз.

4. Митоз – это способ деления клеток, заключающийся в точном распределении генетического материала между дочерними клетками. В результате митоза обе дочерние клетки получают диплоидный набор хромосом. Митоз сопровождается на протяжении четырех последовательных фаз – профазы, метафазы, анафазы и телофазы.

Рис. 5. Схема митотического деления клетки: 1-неделящейся ядро; 2-6 последовательные этапы изменения ядра в профазе; 7-9 – метафаза; 10-анафаза; 11-13 телофаза.

В профазе вначале происходит конденсация и спирализация (скручивание) хромосом, в результате чего они становятся видимыми при микроскопии окрашенных препаратов. Постепенно хромосомы укорачиваются на 4% первоначальной длины. Увеличивается диаметр каждого завитка. Ядерная мембрана растворяется под действием ферментов, ядрышко исчезает. Центросома делится на две центриоли, после чего последние расходятся к полюсам клетки. Затем между полюсами начинает формироваться ахроматиновая фигура, похожая на веретено, которое к концу этой фазы вытягивается вдоль клетки. Оно состоит из белка и РНК, которые накопились в период интерфазы.

В метафазе хромосомы располагаются строго в зоне экватора делящейся клетки, образуя так называемую метафазную пластинку. На стадии метафазы хромосомы имеют самую малую длину, поскольку в это время они сильно спирализованы и конденсированы. Толщина же хромосом максимально увеличивается. Пары хроматид прикрепляются своими центромерами к нитям веретена и перемещаются вверх и вниз по веретену до тех пор, пока их центромеры не выстроятся по экватору веретена перпендикулярно его оси. В этой фазе отчетливо видно, что хромосомы состоят из двух хроматид, соединенных только в области центромеры.

Анафаза – самая короткая стадия. Каждая центромера расщепляется на две, и нити веретена оттягивают дочерние центромеры к противоположным полюсам. Центромеры тянут за собой отделившиеся одна от другой хроматиды, которые теперь называют хромосомами. Таким образом, в анафазе хроматиды удвоенных еще в интерфазе хромосом точно расходятся к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два диплоидных набора хромосом.

Телофаза – хромосомы достигают полюсов клетки, деспирализуются, удлиняются и вновь превращаются в тонкие нити хроматина, невидимые в световой микроскоп. Нити веретена разрушаются, центриоли реплицируются. Вокруг каждой группы дочерних хромосом образуется ядерная оболочка, появляются ядрышки. Деление цитоплазмы в клетках животных предваряется появлением перетяжки цитоплазматической мембраны. За телофазой может сразу следовать цитокинез. Этот процесс заканчивается образованием в экваториальной зоне клетки перетяжки, которая разделяет делящуюся клетку на две дочерние клетки.

Продолжительность митотических циклов различна и составляет от нескольких часов до нескольких дней. Однако она зависит от типа тканей, физиологического состояния и внешних факторов (температура, свет).

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.).

Сущность мейоза состоит в том, что каждая половая клетка получает одинарный, гаплоидный, набор хромосом. Однако вместе с тем мейоз – это стадия, во время которой создаются новые комбинации генов путем сочетания разных материнских и отцовских хромосом. Перекомбинирование наследственных задатков возникает, кроме того, и в результате обмена участками между гомологичными хромосомами в процессе мейоза.

Мейоз включает два последовательных деления ядро: первое обычно является редукционным, уменьшающим число хромосом вдвое, второе – эквационным (уравнительным), идущих друг за другом практически без перерыва деления. Как и в митозе, в каждом мейотическом делении выделяют четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Первое деление мейоза (мейоз I) начинается с профазы I. В свою очередь в профазе I выделяют пять подстадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез.

1 – лептотена (leptos - тонкий): хроматин спирализуется, образуются тонкие хроматиновые нити, которые начинают движение друг к другу центромерными участками; генетический материал – 2n4c.

2 – зиготена (zygon - парный): начинается конъюгация коротких, толстых хроматиновых нитей (хромосом), которые соединяются по всей длине; генетическая информация не изменяется – 2n4c.

3 – пахитена (pahys - толстый): гомологичные хромосомы плотно соединяются по всей длине; образуемые фигуры называют биваленты хромосом или тетрады хроматид; генетический материал можно записать так - 2n4c; к концу стадии в области центромер начинают действовать силы отталкивания и происходит кроссинговер – обмен участками гомологичных хромосом;

4 – диплотена (diplos - двойной): продолжают действовать силы отталкивания, но хромосомы остаются соединенным в области хиазм (перекрестов); содержание генетического материала сохраняется - 2n4c.

5 – диакинез: заканчивается спирализация хромосом, исчезают ядерная оболочка и ядрышко; биваленты хромосом, соединенные своими концами, выходят в цитоплазму и движутся к центру клетки; нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом.

Во время метафазы I гомологичные хромосомы, сгруппированные в биваленты, располагаются в плоскости экватора клетки.

Анафаза I характеризуется окончательным разделением гомологичных хромосом. Их центромеры растягиваются веретеном деления к разным полюсам клетки, увлекая за собой по паре хроматид.

После завершения перемещения хромосом к полюсам начинается телофаза I. В этот период образуются ядерные оболочки вокруг вновь сформировавшихся наборов хромосом, и клетка делится на две части. Образуются две новые клетки.

Между двумя делениями мейоза может быть короткая интерфаза или стадия интеркинеза. Иногда ее нет совсем. Главная особенность этой интерфазы состоит в том, что она не сопровождается удвоением хромосом и синтеза ДНК.

За интеркинезом наступает второе деление мейоза (мейоз II) – эквационное. Эквационное деление состоит из таких же фаз, как и митоз. Они включают разделение хроматид в обеих дочерних клетках, получившихся в результате первого деления мейоза.

Второе деление мейоза отличается от митоза в основном двумя особенностями: 1) в метафазе II мейоза сестринские хроматиды часто сильно обособляются друг от друга; 2) число хромосом гаплоидное. К началу второго деления мейоза хромосомы уже удвоены, состоят из двух хроматид, соединенных в области центромеры. При этом каждая клетка содержит гаплоидный набор хромосом.

В профазе II хромосомы спирализуются, исчезают ядерная оболочка и ядрышко и формируется ахроматиновое веретено. Центриоли, если они есть, перемещаются к противоположным полюсам клеток.

Во время метафазы II хромосомы прикрепляются к нитям веретена деления в области центромеры.

В анафазы II после продольного деления центромеры одна хроматида идет к одному полюсу, а другая к другому, превращаясь таким образом в хромосомы.

В телофазе II образуется четыре гаплоидных ядра. В клетке происходит цитокинез, который завершается образованием четырех клеток из двух предшествующих. Каждая из

Рис. 6. Основные стадии мейоза.

вновь образовавшихся клеток содержит гаплоидный набор хромосом, структура которых состоит только из одной хроматиды.

Значение мейоза:

- это механизм образования гамет;

- поддерживает постоянство число хромосом при половом размножении;

- обеспечивает комбинативную изменчивость в результате кроссинговера, независимого расхождения хроматид и хромосом, при образовании гамет.

Процесс мейоза может нарушаться под влиянием различных внешних неблагоприятных факторов. Патология мейоза обычно приводит к сбою в процессе распределения хромосом в гаметах. В зависимости от этого выделяют простое, последовательное и двойное нерасхождение.

При простом нерасхождении происходит неправильное распределение хромосом по клеткам либо в первом, либо во втором делении мейоза. Если затрагивается мейоз I, то все зрелые гаметы будут иметь патологический набор хромосом (анеуплоидию). Патология мейоза II выражается в изменении количества хромосом только какой-то части гамет.

Последовательное нерасхождение затрагивает оба деления мейоза. В этом случай нормальные гаметы не образуются. Крайне редко мейоз повреждается у обоих родителей. В этих случаях регистрируется двойное нерасхождение. Кроме перечисленных нарушений можно выделить следующие виды нерасхождений хромосом:

- первичное, когда нарушения происходят в мейозе у людей с первоначально нормальным набором хромосом;

- вторичное, возникающее у человека, изначально имеющего патологический набор хромосом;

- третичное, происходящее в мейозе у людей, являющихся носителями сбалансированных перестроек хромосом.

Сбалансированные изменения хромосом в кариотипе не нарушают состояние здоровья у человека.