Лекция № 3
Тема:Материальные основы наследственности. Цель:Перспективы исследования наследственности. Клетка – элементарная единица жизни. Искусственный синтез гена. Содержание лекции:Клетка – элементарная единица жизни. ДНК как основной носитель наследственной информации. Хромосомы, их строение, химический состав. Кариотип. Живой материи присущи два свойства, которых неорганический мир не располагает, - способность к обмену веществ и размножению. Без этих свойств немыслима жизнь, сложившаяся на нашей планете. В основе всех видов размножения одноклеточных и многоклеточных организмов лежит один универсальный процесс – деление клетки. Существует два способа размножения: бесполое и половое. При бесполом размножении одна клетка делится на две или более дочерних, каждая из которых способна воспроизвести целый организм. При половом размножении, как правило, две клетки (мужская и женская) морфологически и физиологически не различающиеся или различающиеся, соединяются и дают начало одной клетки, которая затем делится. Всем животным и растениям, микроорганизмам свойственен тот или другой способ размножения или оба способа. Даже у человека встречается бесполое размножение – в случае рождения однояйцевых близнецов. Вопросы для самоконтроля: 1.Что такое кариотип. 2.Особенности строения хромосом. 3.Роль нуклеиновых кислот. Рекомендуемая литература: М.Е. Лобашев и др.«Генетика с основами селекции». М., МГУ, 1978год. 425стр. С.Г. Инге-Вечтомов «Генетика с основами селекции». Москва «Высшая школа». 1989год, 590стр. Р.Г. Заяц. и др. «Общая и медецинская генетика». Ростов- на- Дону. «Феникс». 2002год. 315стр. Лекция №4 Тема:Митоз. Цель:Раскрыть сущностьгаметогенеза.Фазы митоза.Генетическое значение митоза. Содержание лекции:Митоз. Фазы митоза. Особенность распределения хромосом (хромотид) при делении клетки. Эндомитоз. Политения. Генетические значения. Митоз. В деление клетки можно наблюдать два момента: деление ядра - митоз и деление цитоплазма – цитокинез. При делении ядро клетки проходит пять основных последовательных стадий: интерфазу, профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Между двумя последовательными делениями клетки ядро находится в стадии интерфазы. В этот период ядро при фиксации и окраске имеет сетчатую структуру, образуемую окрашенными тонкими нитями, которые в следующей фазе формируются в хромосомы. Хотя интерфазу называют фазой покоющегося ядра, на самом деле в этот период в ядре проходят процессы синтеза ДНК, РНК, белка и др. Профаза – первая стадия подготовки ядра к делению. Начало профазы связано с заметным увеличением ядра и появлением в нем отчетливо различимых хромосом в виде спирализованных тонких нитей. В ходе профазы укорачиваются и утолщаются. С самого начала профазы хромосомы представляют собой двойные нити – следствие их репродукции в интерфазе. Половинки каждой хромосомы – хроматиды обвивают друг друга. В течение профазы одновременно с укорочением и утолщением происходит раскручивание хроматид и к концу профазы они обычно располагаются параллельно друг другу. Ядрышко в профазе уменьшается в размерах и к концу этой фазы исчезает. Окончание профазы связано с разрушением оболочки ядра, образованием миксоплазмы и формированием центриолей. Достигнув максимального укорачивания хромосомы, устремляются в экваториальную часть веретина деления – наступает прометафаза и метафаза. Метафазой называют стадию окончательного расположения хромосом на экваторе веретина. Характерное расположение хромосом в экваториальной плоскости называют метафазной пластинкой. Веретено полностью сформировано: нити веретина становятся плотными и прикрепляются к цетромерам хромосомы. Хромосомы, состоящие из сестринских хроматид, располагаются своими неразделенными центромерами в экваториальной плоскости перпендикулярно оси веретина. Каждая хромосома располагается таким образом, что её центромера находится точно в экваториальной плоскости. Анафазой называют следующую фазу митоза, в которой делятся центромеры и хроматиды, которые теперь можно называть уже сестринскими или дочерними хромосомами, расходятся к полюсам. При этом отталкиваются друг от друга в первую очередь центромерные участки, а затем расходятся к полюсам центромерами вперед и сами хромосомы. Расхождение хромосом в анафазе начинается одновременно «как по команде» - и завершается очень быстро. В телофазе дочерние хромосомы деспирализуются и утрачиваются видимую индивидуальность. Образуется оболочка ядра и само ядро. Ядро реконструируется в обратном порядке, восстанавливаются ядрышки в том количестве в каком они были у родительских форм. В это время начинается симметричное разделение тела клеток. В животной клетке клетки делятся путем перешнуровывания цитоплазмы материнской клетки. В растительной клетке формирование клеточной перегородки идет при участии бляшек веретина, образующих в плоскости экватора перегородку – фрагмопласт. Этим заканчивается митотический цикл. Продолжительность его зависит от типа ткани, физиологического состояния организма, внешних факторов (температуры и света) и длится от 30 мин. до 3 ч. Для клеток разных тканей характерны различные типы митозов. Рассмотренный тип митоза происходит равным и симметричным образом. В результате симметричного митоза сестринские клетки являются наследственно равноценными в отношении как ядерных генов, так и цитоплазмы. Есть и другие типы митоза: Асимметричныймитоз - сестринские клетки неравноценны по размеру, количеству цитоплазмы. Митоз с задержкой цитокинеза характеризуется тем, что ядро клетки делится многократно и лишь потом происходит деление клетки. В результате образуются многоядерные клетки. Пример, образование спор. Амитоз – прямое деление ядра без образования фаз деления. Характерен для клеток раковых опухолей. Эндомитоз – процесс удвоения или умножения числа хромосом без деления клетки или ядра. При этом хромосомы как обычно репродуцируются в интерфазе, но ахроматиновое веретено не образуется и они расходятся внутри ядра, часто даже не нарушается оболочка ядра. Этот митоз может привести к увеличению набора хромосом в 10-ки раз. При политении происходит умножение числа хромосомных нитей: после репродукции по всей длине они не расходятся и остаются прилегающими друг к другу. В этом случае умножается число хромосомных нитей в пределах одной хромосомы, в результате диаметр хромосом заметно увеличивается. Число таких тонких нитей в политенной хромосоме может достичь 1000-2000. В этом случае образуются так называемые гигантские хромосомы. Итак, все фазы митоза клетки, составляют митотический цикл и являются обязательными лишь для типичного процесса, на этом основывается бесполое размножение.
Морфологическаяструктурахромосом в митозе. Хромосомы каждого вида животных и растений имеют свои морфологические особенности. На стадии метафазы и анафазы хромосомы наиболее укорочены и находятся в экваториальной плоскости. Типы хромосом определяются главным образом положением первичной перетяжки хромосомы, где располагается центромера. Кроме первичной перетяжки хромосома может иметь вторичную перетяжку, не имеющую отношение к прикреплению нитей веретина деления. Местонахождение этой перетяжки в хромосоме связано с формированием ядрышка. Полагают, что этот участок хромосомы имеет сложную структуру и отвечает за синтез рибосомной РНК. Иногда на концах хромосом находятся небольшие тельца – спутники. Каждая хромосома обязательно имеет центромеру, выполняющую функцию механического центра хромосомы. Именно к центромере в метафазе прикрепляется нить веретина деления. Если центромера располагается в хромосоме посередине, то в метафазе хромосома выглядит как равноплечая V – образная метацентрическая. Если центромера делит хромосому на два неравных участка, то образуются или слабо неравноплечая – субметацентрическая хромосома. Либо резко неравноплечая – акроцентрическая хромосома. Размещение центромеры у конца хромосомы делает её палочкообразной или телоцентрической. На концах хромосом имеются сегменты, препятствующие склеиванию хромосом концами – теломеры. Структура хромосом начинает вырисовываться в профазе. В ранней профазе хромосомы имеют вид тонких нитей на которых заметны темно окрашенные зернышки – хромомеры. Положение их каждой в хромосоме постоянно, а в разных хромосомах различно. Эти четкообразные утолщения представляют собой ни что иное, как спирализующиеся в первую очередь наиболее плотные участки хромонем. Есть две гипотезы строения хромосом: одни считают, что каждая хромосома состоит многих нитей – хромонем. Диаметр тончайших нитей может быть около 30А0 (1- А0 – 0,0001 микрона). Согласно этой модели в хромосоме 64 таких нитей. По другой гипотезе – хромосома состоит только из одной хромонемы способной за счет спирализации и складывания создавать политенную структуру. Известно, что спирализация бывает двух порядков: мелкая и крупная, причем нитки идут взаимно – перпендикулярно. Оба типа спирализации идут почти одновременно. Хромосомы по своей оси неоднородны как по химическим и физическим свойствам, так и генетически. При фиксации и окраске разные участки и даже целые хромосомы дают разную реакцию. Одни участки интенсивно окрашиваются – их называют гетерохроматиновые, другие слабо окрашенные – эухроматиновые. Эухроматиновые и гетерохроматиновые участки обладают разными генетическими свойствами. Первые содержат гены и генетически активны, вторые почти не содержат генов и наследственно инертны. Искусственное перемещение эухроматиновых участков к инертным участкам хромосомы вызывает изменение находящихся в них генов. Гетерохроматиновые участки разбросаны по всей хромосоме, но чаще располагаются вблизи центромеры и на концах, около ядрышка. Существуют некоторые виды хромосом, которые преимущественно состоят из гетерохроматина. К ним относится у – хромосома у дрозофилы. Хромосомы животных и растений компактны и не всегда доступны для тонкого анализа, выявления их структуры. Цитологи открыли в некоторых соматических клетках особый тип хромосом – так называемые гигантские хромосомы. Гигантские хромосомы в 100-200 раз длиннее и в 1000 раз больше содержат хромонем, чем обычные метафазные хромосомы. Гигантские хромосомы были обнаружены итальянским цитологом Е. Бальбиани в 1881г. в слюнных железах личинок хирномуса. В дальнейшем оказалось, что такая структура хромосом характерна для ядер соматических клеток личинок двукрылых, а также у некоторых растений в синергидах. Типична в слюнных железах личинок дрозофилы. Клетки здесь не делятся, а лишь увеличиваются в размерах. Ядро в интерфазном состоянии весь личиночный период. Парные хромосомы взаимно притягиваются – это соматическая конъюгация хромосом. Так как хромонемы гигантских хромосом репродуцируются без последующего расхождения, то каждая хромосома приобретает вид пучка хромонемных нитей, поэтому гигантские хромосомы называются – политенные. В данном случае политения хромосом осуществляется за счет эндомитоза – редубликация хромосом без их расхождения. Каждая гигантская хромосома состоит более чем из 1000 хромонем. Хромонемы неоднородны вдоль оси. При редубликации хромонем на хромосомах образуются утолщения – диски. Генетическим путем установлено, что некоторые гены приурочены к определенным дискам. Однако сами диски не представляют собой генов. К другому типу гигантских хромосом относятся хромосомы, названные «ламповыми щетками» из-за расположения конъюгирующих хромосом в одном комплексе, напоминающий ёршик для мытья пробирок. Эти хромосомы сильно вытянуты и образуют симметричные петли, перпендикулярные оси комплекса. «Ламповые щетки» содержат сильно деспирализованные хромонемы, они не политенные.
Химическийсоставхромосом. Изучение химического состава хромосом показало, что в основном они состоят из нуклеопротеидов (90-92%). Нуклеопротеид представлен дезоксирибонуклеиновой кислотой ДНК и белком – гистоном или протамином. Кроме того в хромосоме присутствует РНК, некоторые количество ионов кальция, магния, железа. Макромолекула ДНК слагается из чередующихся мономерных единиц – дезоксирибонуклеотидов. В состав каждого нуклеотида входит гетероциклическое основание, пентозный сахар – дезоксирибоза и фосфатный остаток. В состав дезоксирибонуклеотидов входят производные пурина (аденин и гуанин) и пиримедина – цитозин и тимин. Каждый вид животных, растений и микроорганизмов характеризуется своим специфическим распределением пуриновых и пирамидиновых оснований. Последовательность нуклеотидов в ДНК у разных видов не одинакова, что имеет прямое отношение к наследственности. ДНК объединяет две полинуклеотидные цепочки в виде двойной спирали с правым ходом винта. Пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей заключены внутри пространства между витками спирали и связаны друг с другом водородными связями. Аденин всегда связан с тимином, а гуанин с цитозином. Т.О. обе нити ДНК взаимно дополняют друг друга, что называется комплиментарностью. Редукцияхромосом. Известно, что в ранней профазе каждая хромосома оказывается удвоенной. Постройка хроматид и полухроматид осуществляется в интерфазе и хромонемы или более тонкие структуры воспроизводятся максимально деспирализованном состоянии, на уровне тонких нитей, а ни целых хромосом. В интерфазе каждая нить строит себе подобную и если она была двойной, то каждая из этих двойных нитей оказывается учетверенной. Поэтому каждая метафазная хромосома состоит из двух хроматид, в каждой из которых имеется минимум по две полухроматиды. Удвоение хромосом рассматривается не только на хромосомном уровне, но и на молекулярном. При удвоении хромосом содержание ДНК точно удваивается. Это означает, что удвоение ДНК-репликация, происходит в один из периодов цикла митоза. У многоклеточных организмов синтез ДНК происходит между двумя митотическими циклами. Синтез ДНК приходится на интерфазное состояние ядра. В след за прошедшим митозом наступает первая фаза генерационного цикла, где синтезирует РНК, белки, др. продукты необходимые для образования клеточных структур. Эта фаза G1 называется пресинтетическая и длится от 10ч. до нескольких суток. Затем наступает фаза синтеза ДНК (фаза - S) в течении которой количество ДНК удваивается в ядре клетки. Она длится 6-10ч. В фазе S – также идет синтез РНК и белка. Последний – постсинтетический период (G2) наступает после S – периода, синтезируются РНК, белки и накапливается энергия для следующего митоза. Эта фаза длится 3-4ч, и идет митоз, клетка делится, и количество ДНК становиться вновь равным исходному. Дельбрук Стент в 1957г. предложили три схемы удвоения молекул ДНК.
1. Консервативная схема - исходная двойная спираль остается неизменной и целостной в процессе синтеза и строит новую двухцепочную молекулу. 2. Полуконсервативная схема – цепи двойной спирали молекулы ДНК расходятся не разрываясь. Каждая из одиночных цепей ДНК служит матрицей для образования комплиментарной цепи. 3. Дисперсионная схема – в процессе удвоения молекулы ДНК составляющие ее цепи разрываются или разрушаются, так что после синтеза дочерних молекул последние включают в свой состав случайным образом перекомбинированные фрагменты исходных молекул. Ни одна из этих схем окончательно не доказана. Однако, полуконсервативная схема репликации ДНК наиболее четко подтверждает модель ДНК разработанную Уотсоном и Криком. Согласно полуконсервативной схеме, при репликации ДНК сначала происходит разрыв водородных связей между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, образующими пары аденин-тимин, гуанин-цитазин. После разрыва двойной полинуклеотидной цепи, она раскручивается и каждая из образовавшихся одиночных (моноспираль) строит около себя путем полимеризации комплементарную цепочку из нуклеотидов находящихся в кариоплазме. В результате образуется две молекулы ДНК, идентичные исходной. Это подтверждается опытами Дж. Тейлора с применением изотопов. В опытах проростки семян конских бобов выращивались на среде, содержащей тимидин, меченный тритием. При первом митозе обе хроматиды были помечены. Однако, во втором митозе, протекавшем при отсутствии в среде меченного тимидина, только одна из двух хроматид каждой материнской хромосомы обнаруживала тритиевые метки. Вопросы для самоконтроля: 1.Из каких фаз состоит митоз. 2.Цикл спирализации и деспирализации хромосом в митозе. 3.Что такое митоз. Рекомендуемая литература: М.Е. Лобашев и др.«Генетика с основами селекции». М., МГУ, 1978год. 425стр. С.Г. Инге-Вечтомов «Генетика с основами селекции». Москва «Высшая школа». 1989год, 590стр. Р.Г. Заяц. и др. «Общая и медецинская генетика». Ростов- на- Дону. «Феникс». 2002год. 315стр.
|
