Билет №9. Организация наследственного материала в клетке.
Организация наследственного материала в клетке. А) Уровни организации генома эукариот В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть - в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. ДНК-белковые комплексы эукариот получили название хроматина. На протяжении клеточного цикла хроматин претерпевает высокоупорядоченные структурные преобразования в виде последовательных конденсаций-деконденсаций. В соматических клетках при максимальной конденсации в метафазе митоза эти преобразования сопровождаются формированием метафазных хромосом. Морфология и число метафазных хромосом являются уникальными характеристиками вида. Совокупность внешних признаков хромосомного набора эукариот получила название кариотипа. Эти признаки используются в систематике. Геном эукариот составляют уникальные и повторяющиеся последовательности нуклеотидов. Содержание уникальных последовательностей в геноме, определенное на основании кинетики реассоциации фрагментированной ДНК, варьирует у разных организмов, и их доля составляет 15-98% от всей ДНК. Несмотря на то, что во фракцию уникальных последовательностей попадают многие структурные гены, большая часть уникальных последовательностей является некодирующей и обычно не заключает в себе генетической информации в общепринятом значении этого термина: не кодирует функционально значимые полипептидные цепи или РНК. Примером таких уникальных последовательностей являются интроны, общий размер которых, как правило, на порядок и более превышает суммарный размер экзонов содержащих их генов. Эволюционное возникновение мозаичной (интрон-экзонной) структуры генов эукариот, так же как и консервативный характер наследования размеров и взаимного расположения интронов в генах, не находит исчерпывающего объяснения из-за кажущегося отсутствия фактора давления естественного отбора на последовательности нуклеотидов без четких биологических функций.
Химический состав хромосом Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс—хроматин. ДНК является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе биологическую информацию — программу развития клетки, организма, записанную с помощью особого кода. Количество ДНК в ядрах клеток организма данного вида постоянно и пропорционально их плоидности. В диплоидных соматических клетках организма ее вдвое больше, чем в гаметах. Увеличение числа хромосомных наборов в полипловдных клетках сопровождается пропорциональным увеличением количества ДНК в них. Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки. Гистоны представлены пятью фракциями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах. Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов. РНК хромосом представлена отчасти продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза. Некоторым фракциям свойственна регуляторная функция. Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» списывания информации с молекулы ДНК.
Структура хромосомы Каждая хромосома состоит из ДНК и белка, связанных вместе. ДНК плотно скручена на белковом стержне. НДНК типичной человеческой клетки должна уместиться в ядре диаметром 0,005 мм. Но если ее полностью развернуть, то длина составит почти два метра. В точке на конце предложения может уместиться 200 человеческих клеток, или 400 м ДНК. о несмотря на такую плотность упаковки, генетический материал в клетке сжимается еще в 5 —10 раз, когда клетка начинает делиться. В это время хромосомы легко увидеть в микроскоп, если их окрасить. у разных видов количество хромосомных пар различно. Количество хромосом в любой клетке называется кариотип. У человека 23 пары хромосом. Первые 22 пары называются аутосомы. Они нумеруются в соответствии с длиной, начиная с самой длинной, от 1 до 22. Пара 23 — это половые хромосомы, Х- и Y-хромосомы. Центромера, жизненно важная для связи хромосомных пар до клеточного деления, делит хромосомы на два плеча различной длины. Ее расположение варьируется у различных хромосом. Если центромера располагается около центра, то плечи хромосомы примерно равной длины. Такая хромосома называется метацентрической. Если центромера слегка смещена от центра, то одно плечо длиннее другого, а хромосома называется субметацентрической. Если центромера сильно смещена от центра, то различие между плечами велико, а хромосома называется акроцентрической. В этом случае короткое плечо — это p-плечо, а длинное — q-плечо. Наконец, если центромера находится у самого конца хромосомы, то хромосома называется телоцентрической. Также на концах хромосом расположены так называемые теломеры. Теломеры, открытые нобелевским лауреатом Германом Мюллером (Hermann Muller) в 1930-е годы, состоят из тысяч повторяющихся кусочков ДНК, соединенных вместе. Они помогают клетке отличать концы хромосом от разрывов, требующих репарации (восстановления). С каждым делением клетки теломеры становятся все короче, и кажется, что они играют роль в запрограммированной смерти клетки. Одной из отличительных черт раковых клеток является способность активировать фермент теломеразу, который не дает теломерам укорачиваться, что делает клетки практически бессмертными.
В) УРОВНИ УПАКОВКИ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА У ЭУКАРИОТ В основе наследования лежат процессы удвоения, распределения и объединения генетического материала, которыми во многом и обусловливаются закономерности наследования. Функционально неделимой элементарной единицей наследственности является ген. Представление о гене как материальной частице, лежащей в хромосоме, способной к саморегуляции и являющейся минимальной единицей рекомбинации, мутирования и генетической функции, сложилось к концу 20-х годов XX века. Согласно современным представлениям, ген - это участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида (белка) одного вида, или же транспортной, или рибосомальной РНК. В 1902 году независимо друг от друга два исследователя (Уильям Сеттон в США и Теодор Бовери в Германии) предположили, что гены расположены в хромосомах. Это предположение, положившее начало хромосомной теории наследственности, основывалось на параллелизме (сходстве) в поведении генов и хромосом в процессе развития гамет и оплодотворения яйцеклетки. Хромосомы (термин «хромосома» предложил В. Вальдей-ер в 1888 году) представляют собой структуры клеточного ядра, которым свойственны способность к самовоспроизведению и сохранению индивидуальных черт строения (структурной и функциональной индивидуальности) в ряду поколений. Размещение генов в хромосомах влияет на соотносительное наследование информации о признаках. Хромосомная организация наследственного материала обеспечивает перераспределение наследственного материала (задатков) родителей в потомках при половом размножении.
Г) эу- и гетерохроматин Эухроматин, активный хроматин — участки хроматина, сохраняющие деспирализованное состояние элементарных дезоксирибонуклеопротеидных нитей (ДНП) в покоящемся ядре, т. е. в интерфазе (в отличие от других участков, сохраняющих спирализованное состояние — гетерохроматина). Эухроматин отличается от гетерохроматина также способностью к интенсивному синтезу рибонуклеиновой кислоты (РНК) и большим содержанием негистоновых белков. В нём, помимо ДНП, имеются рибонуклеопротеидные частицы (РНП-гранулы) диаметром 200—500, которые служат для завершения созревания РНК и переноса ее в цитоплазму. Эухроматин содержит большинство структурных генов организма Гетерохроматин — участки хроматина, находящиеся в течение клеточного цикла в конденсированном (компактном) состоянии. Особенностью гетерохроматиновой ДНК является крайне низкая транскрибируемость. Хроматин является нуклеопротеидом — комплексом ДНК с гистонами. Конденсация хроматина в гетерохроматин сопровождается как модификацией гистонов, так и усложнением состава нуклеопротеидного комплекса за счёт участия в нём белков гетерохроматина HP1 (Heterochromatin Protein 1). Гистоны гетерохроматинового комплекса характеризуются низкой степенью ацетилированности по лизиновым остаткам, что увеличивает их основные свойства и, соответственно, связывание с кислыми фосфатными группами ДНК, что способствует компактификации комплекса. Другой особенностью, ведущей к образованию гетерохроматина, является метилирование 9-го лизинового остатка гистона H3 метилтрансферазой Suv39h; такое метилирование ведёт к образованию высокоаффинного сайта связывания гистона H3 и белка гетерохроматина HP1. У дрозофил метилтрансфераза Suv39h функционально ассоциирована с гистондеацетилазой таким образом, что ацетилированное и метилированное состояние 9-го лизинового остатка гистона H3 являются взаимоисключающими, то есть обеспечивается единый механизм деацетилирования и метилирования гистона H3, ведущий к усилению связывания с гистоном как ДНК, так и белка гетерохроматина HP1.
Д) Морфологические особенности метафазной хромосомы Метафазная хромосома состоит из двух соединенных центромерой сестринских хроматид, каждая из которых содержит одну молекулу ДНП, уложенную в виде суперспирали. При спирализа-ции участки эу- и гетерохроматина укладываются закономерным образом, так что на протяжении хроматид образуются чередующиеся поперечные полосы. Их выявляют при помощи специальных окрасок. Поверхность хромосом покрыта различными молекулами, главным образом, рибонуклеопротеинами (РНП). В соматических клетках имеются по две копии каждой хромосомы, их называют гомологичными. Они одинаковы по длине, форме, строению, расположению полос, несут одни и те же гены, которые локализованы одинаково. Гомологичные хромосомы могут различаться аллелями генов, содержащихся в них. Ген - это участок молекулы ДНК, на котором синтезируется активная молекула РНК. Гены, входящие в состав хромосом человека, могут содержать до двух млн пар нуклеотидов. Деспирализованные активные участки хромосом не видны под микроскопом. Лишь слабая гомогенная базофилия нуклеоплазмы указывает на присутствие ДНК; их можно выявить также гистохимическими методами. Такие участки относят к эухроматину. Неактивные сильно спирализованные комплексы ДНК и высокомолекулярных белков выделяются при окрасках в виде глыбок гетерохроматина. Хромосомы фиксированы на внутренней поверхности кариотеки к ядерной ламине.
Хромосомы в функционирующей клетке обеспечивают синтез РНК, необходимых для последующего синтеза белков. При этом осуществляется считывание генетической информации - ее транскрипция. Не вся хромосома принимает в ней непосредственное участие. Разные участки хромосом обеспечивают синтез различных РНК. Особенно выделяются участки, синтезирующие рибосомные РНК (рРНК); ими обладают не все хромосомы. Эти участки называют ядрышковыми организаторами. Ядрышковые организаторы образуют петли. Верхушки петель разных хромосом тяготеют друг к другу и встречаются вместе. Таким образом формируется структура ядра, именуемая ядрышком (рис. 20). В нем различают три компонента: слабоокрашенный компонент соответствует петлям хромосом, фибриллярный - транскрибированной рРНК и глобулярный - предшественникам рибосом. Вместе с тем хромосомы являются и хранителями наследственных свойств организма. Именно последовательность нуклеоти-дов в цепях ДНК определяет генетический код.
Востановительные процессы в организме
А) Регенерация, её виды и значение Регенера́ция — свойство всех живых организмов со временем восстанавливать поврежденные ткани, а иногда и целые потерянные органы. Регенерацией также называется восстановление целого организма из его искусственно отделенного фрагмента (например, восстановление гидры из небольшого фрагмента тела или диссоциированных клеток). Регенерация, происходящая в случае повреждения или утраты какого-нибудь органа или части организма, называется репаративной. Регенерацию в процессе нормальной жизнедеятельности организма, обычно не связанную с повреждениями или утратой, называют физиологической.
Б) ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ Физиологическая регенерация свойственна всем организмам. Процесс жизнедеятельности обязательно включает два момента: утрату (деструкцию) и восстановление морфологических структур на клеточном, тканевом, органном уровнях. У членистоногих физиологическая регенерация связана с ростом. Например, у ракообразных и личинок насекомых сбрасывается хитинизированный покров, становящийся тесным и тем самым препятствующий увеличению тела. Бурная смена покровов, также называемая линькой, наблюдается у змей, когда животное одномоментно освобождается от старого ороговевшего кожного эпителия, у птиц и млекопитающих при сезонной смене перьев и шерсти, У млекопитающих и человека систематически слущивается кожный эпителий, целиком обновляющийся практически в течение нескольких дней, а клетки слизистых оболочек кишечника заменяются почти ежесуточно. Судьба клеток, погибших в процессе жизнедеятельности, неодинакова. Клетки наружных покровов после гибели слущиваются и попадают во внешнюю среду. Клетки внутренних органов претерпевают дальнейшие изменения и могут играть важную роль в процессе жизнедеятельности. Так, клетки слизистой оболочки кишечника богаты ферментами и после слущивания, входя в состав кишечного сока, принимают участие в пищеварении, Погибшие клетки заменяются новыми, образующимися в результате деления. На течение физиологической регенерации влияют внешние и внутренние факторы. Так, понижение атмосферного давления вызывает увеличение количества эритроцитов, поэтому у людей, постоянно живущих в горах, содержание эритроцитов в крови больше, чем у живущих в долинах; такие же изменения происходят у путешественников при подъеме в горы. На число эритроцитов оказывают влияние физическая нагрузка, прием пищи, световые ванны. О влиянии внутренних факторов на физиологическую регенерацию можно судить по следующим примерам. Денервация конечностей изменяет функцию костного мозга, что сказывается на снижении числа эритроцитов. Денсрвация желудка и кишечника ведет к замедлению и нарушению физиологической регенерации в слизистой этих органов. Б. М. Завадовский, скармливая птицам препараты щитовидной железы, вызывал преждевременную бурную линьку. Циклическое обновление слизистой оболочки матки находится в связи с женскими половыми гормонами и т. д. Следовательно, воздействие желез внутренней секреции на физиологическую регенерацию несомненно. С другой стороны, деятельность желез обусловлена функцией нервной системы и факторами внешней среды, например полноценным питанием, светом, микроэлементами, поступающими с пищей, и т. д.
В) РЕПАРАТИВНАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ Одним из первых исследователей репаративной регенерации был швейцарский натуралист XVIII века А. Трамблс (1710-1784), обнаруживший это явление у пресноводного полипа гидры. Репаративная регенерация широко распространена, но способность к ней выражена неодинаково у различных животных. У одних организмов регенерационные способности настолько велики, что из части тела или даже из отдельных клеток развивается целый организм (т. е. имеет место соматический эмбриогенез). У других регенерационные потенции несколько ниже, но восстанавливаются наружные органы. У третьих регенерируют внутренние органы. Наконец, регенерационные способности могут сводиться лишь к рубцеванию ран. Хорошо выражена репаративная регенерация у некоторых кишечнополостных и ресничных червей, в связи с чем гидры и планарии стали классическими объектами для изучения этого явления. Ракообразные восстанавливают утраченные конечности, антенны, глаза. Хвостатые амфибии и личинки бесхвостых восстанавливают конечности, хвост и некоторые другие органы. У млекопитающих и человека регенерация различных тканей выражена в неодинаковой степени. Эпителиальная ткань в покровах кожи, слизистых оболочек, серозных покровов обладает высокой способностью к репаративной регенерации. Хорошими регенерационными свойствами обладает соединительная, мышечная и костная ткань. Хрящевая ткань регенерирует слабо. Восстановление органа происходит только тогда, когда сохраняется хотя бы остаток этого органа и не потеряны коррелятивные связи со всем организмом. Конечности аксолотля и тритона способны к регенерации при ампутации на любом уровне. Но если удален и пояс конечностей, регенерации не происходит. Ампутированная мышца у птиц и грызунов способна к восстановлению, если осталась хотя бы небольшая культя. Для регенерации наружных органов необходима открытая раненая поверхность. В опытах на хвостатых амфибиях, когда рану закрывали кожным лоскутом, отрастания ампутированных органов не происходило. Было принятым считать, что способность к регенерации падает по мере эволюции животных, в связи с повышением организации, а также уменьшается с возрастом организма. Действительно, нельзя отрицать, что очень часто у низкоорганизованных животных способность к регенерации выражена сильнее, чем у стоящих на более высоких ступенях эволюции. Точно так же у молодых особей нередко утраченные органы восстанавливаются энергичнее и полнее, чем у старых. Однако эти правила имеют очень много исключений. Среди близких в систематическом отношении форм есть как обладающие хорошо выраженной способностью к регенерации, так и не способные к ней. Например, из кишечнополостных гидры обладают большой регенерационной потенцией, а у медуз она почти полиостью отсутствует. Хорошо регенерируют много- и малощетинковые кольчатые черви, а пиявки - нет. Взрослые лягушки плохо регенерируют, а у тритонов восстанавливаются не только ноги, но и глаза и многие другие органы. У низших хордовых - асцидий - регенерационные способности взрослых особей несравненно выше, чем личинок. Как показал советский исследователь А, Н. Студитский, интенсивность регенерационного процесса у наиболее высокоорганизованных животных- птиц и млекопитающих- может быть даже больше, чем у земноводных. Следовательно, в процессе эволюции регенерационные способности не снижаются, а принимают различные формы. Параллельно утрате способности к бесполому размножению теряется и способность к соматическому эмбриогенезу, но сохраняется регенерация отдельных органов. Есть все основания считать, что способность к регенерации носит приспособительный характер. Она лучше выражена в тех органах, которые чаще подвергаются утрате, и у тех животных, которые в природных условиях теряют органы. Нередко способность к регенерации появлялась параллельно аутотомин (самокалечению). Животное из типа иглокожих - голотурия - при преследовании ее врагом выбрасывает кишечник и другие внутренние органы, а через несколько дней потерянные органы восстанавливаются. У ящерицы строение позвонков в хвосте таково, что они переламываются в тех случаях, когда хвост оказывается сильно сжат зубами и когтями хищника. Как известно, у ящерицы потерянный хвост отрастает. Регенерация у млекопитающих, приводящая чаще всего к заживлению ран, также имеет приспособительное значение. Быстрое закрытие раны кровяным сгустком, а затем рубцом из соединительной ткани препятствует проникновению в организм болезнетворных микроорганизмов, к которым млекопитающие очень чувствительны.
Формы и способы репаративной регенерации Различают регенерацию типичную, или гомоморфоз, и атипичную, или гетероморфоз. При гомоморфозе восстанавливается такой же орган, как и утраченный. При гетероморфозе восстановленные органы отличаются от типичных. В ряде случаев при гетероморфозе вместо прежнего органа развивается совершенно иной. Например, у рака иногда на месте удаленного глаза вырастает видоизмененная антенна {рис. 88). При гетероморфозе отмечено развитие атавистических органов. Так, на регенерирующем хвосте ящерицы появляются чешуи более древнего типа. Иногда восстанавливается большее число органов, чем их бывает В норме: у планарин может образоваться несколько головных концов, у амфибии - лишние конечности и т. д. Изучение гетероморфозов важно для выяснения факторов, влияющих на регенерацию, что необходимо для управления процессом восстановления утраченных органов. Восстановление утраченных органов осуществляется путем эпиморфоза, морфаллаксиса и эндоморфоза. Эпиморфоз - отрастание утраченного органа от раневой поверхности. Процесс регенерации при этом начинается с рассасывания тканей, прилегающих к ране, и интенсивного размножения клеток, из которых образуется регенерационный зачаток. Дальнейшее размножение клеток приводит к увеличению зачатка, а дифференцировка клеток - к формированию органа. К эпиморфозу примыкает рубцевание, при котором происходит закрытие раны, но без восстановления утраченного органа. Морфаллаксис влечет за собой перегруппировку оставшейся части организма. Эта форма регенерации нередко связана с дальнейшим значительным разрушением оставшейся части и завершается формированием из этого материала целого организма или органа. Величина новой особи или восстановленного органа оказывается сначала меньше исходной, равной лишь взятому фрагменту, но в дальнейшем увеличивается. Обычно эпиморфоз и морфаллаксис сопутствуют друг другу, но в одних случаях преобладает первая форма, а в других - вторая. Так, при отрастании хвоста у ящерицы или ноги у тритона имеет место преимущественно эпиморфоз, а при регенерации планарий, гидры, ноги таракана преобладает морфаллаксис. Атипичная, неполная регенерация, характерная для большинства внутренних органов млекопитающих, получила название эндоморфоза, или регенерационной гипертрофии. При эндоморфозе восстанавливается не форма, а масса органа. Этот способ регенерации характерен для органов с относительно однородной структурой, у которых форма не имеет существенного значения для нормального функционирования. Регенерация по типу эндоморфоза начинается с заживления раны, а затем происходит увеличение оставшейся части органа за счет размножения клеток и их гипертрофии. Отрастания от раневой поверхности не происходит, поэтому восстановившийся в своих размерах орган сохраняет форму культи. Так протекает, например, регенерация печени
Лейшмании
А) Систематика
Царство: Протисты Надтип: Excavata Тип: Эвгленовые Класс: Кинетопластиды Отряд: Трипаносоматиды Род: Лейшмании
Б) Морфология Лейшмании существуют в двух морфологических формах — промастиготы (с длинным передним жгутиком, веретенообразные, удлинённые, подвижные) в насекомом-хозяине и на искусственных питательных средах, и амастиготы (с коротким жгутиком, круглые или овальные, неподвижные, расположенные внутриклеточно) в организме позвоночных.
Жизненный цикл Лейшмании, являются облигатными паразитами. Жизненный цикл лейшманий включает двух хозяев: млекопитающее и насекомое (москит). Москиты заражаются лейшманиями, когда пьют кровь заражённого млекопитающего. Кровью питаются только самки москитов. Лейшмании вместе с проглатываемой кровью проникают в пищеварительный канал москита. В задней части средней кишки вокруг проглоченной крови у москита (как и у некоторых других кровососущих насекомых, например, комаров) образуется так называемая перитрофическая матрица. Промастиготы лейшманий размножаются в пищеварительном канале самок москитов. Приблизительно через неделю инфекция распространяется до верхних отделов пищеварительного канала и паразиты блокируют просвет канала своими телами и секретируемым им гелем. Когда самка кусает потенциального хозяина, она выделяет в кожу свою слюну. Самка с блокированным пищеварительным каналом не может глотать, и у неё возникают спастические движения, в результате которых она отрыгивает промастиготы в ранку на коже хозяина. В среднем во время укуса инфицированным москитом в кожу попадает 102 — 103 промастигот. Первыми на место повреждения прибывают полиморфоядерные нейтрофилы, которые фагоциритуют паразитов. Внутри нейтрофилов лейшмании не размножаются и не превращаются в амастиготы. Затем, когда нейтрофилы переходят в фазу апоптоза, они уничтожаются макрофагами, и лейшмании проникают в макрофаги, не вызывая иммунного ответа. Макрофаги являются основными клетками-хозяевами лейшманий в организме млекопитающих. Внутри макрофагов лейшмании трансформируются во внутриклеточную морфологическую форму — амастиготы. Внутри макрофага лейшмании заключены в так называемые "паразитифорные вакуоли", которые образуются от слияния первичной фагосомы c лизосомами и эндосомами. В них промастиготы транформируются в амастиготы. При этом происходят изменения в морфологии — продолговатые промастиготы с длинным жгутиком превращаются в овальные амастиготы с коротким жгутиком, в метаболизме, чтобы приспособиться к кислой среде, и в биохимическом составе мембраны. Трансформация занимает от двух до пяти дней. Амастиготы способны выживать в кислой среде этих вакуолей и питаться их содержимым. Внутри вакуоли амастиготы медленно размножаются, и каждый цикл размножения занимает около 24 часов. При кожном лейшманиозе инфильтрат образуется в коже и содержит преимущественно макрофаги, а также лимфоидные клетки и немного плазматических клеток. При висцеральном лейшманиозе очаги инфекции образуются в органах ретикуло-эндотелиальной системы
|