ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ:

1. Биология: определение, современный этап развития биологии,

место и задачи биологии в системе подготовки врача.

Биология - наука изучает общие закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, её формы и развитие. Методы изучения биологии:

1)наблюдение и описание – самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.)

2)сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов.

3)опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии.

4)моделирование – создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни.

5)исторический метод – Биология(bios – жизнь и logos – учение) – комплексная наука, изучающая закономерности, изучение закономерности появления и развития организмов.

Выделяют 3 основных этапа в развитии биологии:

1)Этап систематики. Связан с именем Карла Линнея.

2)Эволюционный этап. Связан с именем Чарльза Дарвина.

3)Биология микромира. Связан с работа Грегора Менделя.

Врач, академик И.В. Давыдовский писал: «Медицина, взятая в плане общей теории, – это прежде всего биология». Такое утверждение основано на следующем.

1. Развитие медицины во многом связано с достижениями в области биологии:

·Исследования Луи Пастера (1862) показали невозможность самопроизвольного зарождения жизни. Он доказал, что гниение и брожение происходят благодаря наличию микроорганизмов. На основе исследований Пастера возникло в хирургии учение об асептике и антисептике.

·Исследования И.И. Мечникова (1845 – 1916), изучавшего внеклеточное пищеварение у кишечнополостных, позволили открыть фагоцитоз и стали основой для создания учения об иммунитете.

·Д.И. Ивановский (1864 – 1920) открыл вирус табачной мозаики и положил начало вирусологии и изучению целой группы заболеваний, вызываемых вирусами.

·М. Шлейден и Т. Шванн создали клеточную теорию и положили тем самым начало изучению патологии на клеточном уровне.

2. Объектом медицины является человек – существо биолого-социальное. Все структуры и функции человека являются результатом длительного исторического развития предшествующих форм жизни, поэтому многие пороки его развития имеют филогенетическую обусловленность. Следовательно, врачи должны хорошо представлять филогенез всех систем органов человека.

3. Известно более 4000 заболеваний, которые имеют отношение к наследственности полностью или частично. Поэтому врач должен хорошо знать закономерности наследственности и изменчивости, которые изучаются в курсе биологии.

4. Здоровье человека сегодня в большой степени зависит от состояния окружающей среды. Наука, изучающая взаимодействие организма с окружающей средой, – экология – также является частью биологии. 5. В курсе биологии изучаются закономерности регенерации и трансплантации, которые должны знать врачи всех специальностей. 6. Раздел практической медицины – медицинская паразитология – изучается только в курсе биологии.

7. На основе биологических наук возникли и развиваются медицинские науки. Так, на базе анатомии, цитологии и гистологии возникла патологическая анатомия; на базе физиологии, иммунологии и биохимии

– патологическая физиология; физиология и биохимия послужили основой терапии

2. Определение понятия жизнь и свойства живого. Уровни

организации живого.

Определение сущности жизни (по Энгельсу) – жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей средой в результате которого происходит самообновление состава структур этих белковых тел. Прекращение этого обмена – прекращение жизни.

Определение жизни М.В.Волькенштейном (более современная версия): «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров – белков и нуклеиновых кислот и поддерживающие свое

существование в результате обмена веществ и энергии с окружающей средой».

Признаки жизни:

Самовоспроизведение

Саморегуляция

Самообновление Свойства жизни:

Гомеостаз

Уровни организации живого:

1.Суборганизменный уровень

Атомарный

Молекулярный

Субклеточный

Клеточный

Тканевой

Органный

2.Организменный (онтогенетический) уровень

3.Надорганизменный уровень

Популяционно-видовой

Биогеоценотический

Биосферный

3.Создание клеточной теории и ее основные положения.

Клеточная теория была сформулирована после более трехсотлетнего периода накопления знаний о строении различных одноклеточных и многоклеточных организмов растений и животных. Накопление знаний зависело от развития оптических методов исследований.

Известно, что Роберт Гук (1665) первым наблюдал с помощью увеличительных линз ткани пробки, и которые он подразделил на «ячейки», или «клетки». После его наблюдений появились

систематические исследования анатомии растений (Мальпиги, 1671; Грю, 1671), которые показали, что разнообразные части растений состоят из тесно расположенных «пузырьков», или «мешочков». В 1680 году А. Левенгук впервые увидел одноклеточные организмы и клетки животных (эритроциты). Позднее клетки животных были описаны Ф. Фонтана (1781).

С развитием микроскопирования в 19 в. изменились представления о строении клеток. Главным в организации клетки стала считаться не клеточная стенка, а собственно ее содержимое, протоплазма ( Ян Пуркинье, 1830). В протоплазме был открыт постоянный компонент клетки – ядро ( Роберт Браун, 1833). Эти и многочисленные другие наблюдения позволили в 1838 г. немецкому ученому Т. Шванну сделать ряд обобщений, в которых он показал, что клетки растений и животных принципиально сходны между собой (гомологичны).

Так в 1838-1839 году Шван и Шлейдн, независимо друг от друга, положили начало клеточной теории. Они утверждали:1) Все живые организмы состоят из клеток( кроме вирусов)

2) Клетки животных и растений схожи по строению и выполняемой функции.

Эти представления получили дальнейшее развитие в работах русского ученого Рудольфа. Вирхова (1858).

Клеточная теория – это обобщенные представления о строении клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов. Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства всей живой природы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ

1)Клетка – элементарная структурная, функциональная и генетическая единица живого.

2)Клетки растений, животных и грибов сходны по строению, химическому составу, обмену веществ.

3)Клетка – функциональная единица живого. Сходные по строению и выполняемым функциям клетки объединяются в ткани, ткани – в органы и системы органов, которые формируют целостный организм. Это обеспечивает дискретность и целостность организма.

4)Клетка – единица развития всего живого. Любой организм начинает свое индивидуальное развитие из одной клетки – зиготы.

5)Новые клетки образуются в результате деления материнской

клетки.

6)Клетка имеет мембранный принцип строения.

7)Ядро является главным компонентом эукариотической клетки, хранителем генетической информации и регуляторным механизмом.

8)Сходство строения клеток растений и животных доказывает общность их происхождения.

9)Дифференциация клеток лежит в основе усложнения строения живых организмов.

Клетка – элементарная единица живого.Первое представление о клетке как о самостоятельной жизнедеятельной единице, которая несет в себе полную характеристику жизни, было дано в работах Т. Шванна. К настоящему времени наукой это положение полностью доказано. Клетка

– это наименьшая единица живого, вне которой нет жизни.

4.Про - и эукариоты. Основные особенности их строения (примеры).

Прокариоты (от др.-греч. προ «перед» и κάρυον «ядро»), или доядерные

— одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий).

Для клеток прокариот характерно отсутствие ядерной оболочки, ДНК упакована без участия гистонов. Тип питания осмотрофный и автотрофный (фотосинтез и хемосинтез). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды.

Характерные особенности прокариот:

·Отсутствие четко оформленного ядра;

·Наличие жгутиков, плазмид и газовых вакуолей;

·Структуры, в которых происходит фотосинтез;

·Формы размножения — бесполый способ, имеется псевдосексуальный процесс, в результате которого происходит лишь обмен генетической информацией, без увеличения числа клеток;

·Размер рибосомы — 70s(по коэф. седиментации различают и рибосомы др. типов, а также субчастицы и биополимеры, входящие в состав рибосом).

Эукариоты, или ядерные (от греч. εύ- — хорошо и κάρυον — ядро) — домен (надцарство) живых организмов, клетки которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и архей, являются ядерными (вирусы и вироиды также не являются эукариотами, но не все биологи считают их живыми организмами).

Животные, растения, грибы, а также группы организмов под общим названием протисты — все являются эукариотическими организмами. Они могут быть одноклеточными и многоклеточными, но все имеют общий план строения клеток. Считается, что все эти столь несхожие организмы имеют общее происхождение, поэтому группа ядерных рассматривается как монофилетический таксон наивысшего ранга. Согласно наиболее распространённым гипотезам, эукариоты появились 1,5—2 млрд лет назад.

Эукариотические клетки в среднем намного крупнее прокариотических, разница в объёме достигает тысяч раз. Клетки эукариот включают около десятка видов различных структур, известных как органоиды (или органеллы, что, правда, несколько искажает первоначальное значение этого термина), из которых многие отделены от цитоплазмы одной или несколькими мембранами (в прокариотических клетках внутренние органоиды, окруженные мембраной, встречаются редко). Ядро — это часть клетки, окружённая у эукариот двойной мембраной (двумя элементарными мембранами) и содержащая генетический материал: молекулы ДНК, «упакованные» в хромосомы. Ядро обычно одно, но бывают и многоядерные клетки.

5. Цитоплазма. Химический состав, физико-химические свойства, структурная организация. Цитоскелет.

Цитоплазмаэто внутреннее содержимое клетки. Компоненты:

Цитоплазматический матрикс(гиалоплазма)

Цитоскелет (микротрубочки, микрофиламенты, микрофибриллы)

Органоиды

Включения

Цитоплазма клеток имеет следующий состав: вода 80%, белок около 10%, ДНК 0,4%, РНК 0,7%, липиды 2%, органические соли 1% и неорганические соли 1%.

Содержимое клетки можно разделить на три части: органоиды

(обязательные для любой клетки компаненты), включения (необязательные компаненты) и гиалоплазма (основная жидкая фаза клетки – цитозоль).

Вода содержится в цитоплазме в двух видах – свободном и связанном. Свободная вода – это вода, которая может участвовать в процессах обмена веществ. Связанная вода удерживается белковыми молекулами при помощи водородных связей и образует поэтому часть структуры цитоплазмы (подсчитано, что всего 4,5 % всей воды цитоплазмы находится в связанном состоянии).

Соли содержатся во всех клетках и необходимы для процессов жизнедеятельности. Следует отметить, что из катионов наивысшей концентрации в клетке достигает калий. Содержание натрия и кальция ниже, в цитоплазме концентрация свободного кальция составляет всего 10 –7 моль/л. Преобладающим анионом в растительной клетке является хлорид. Наряду с основными солями в клетке найдены также многие другие элементы. Как уже отмечалось, характерная структура цитоплазмы определяется белками; молекулярный вес этих веществ очень высок – от 13 тыс. дальтон до многих миллионов. Своеобразные свойства белков обусловлены, вероятно, крупным размером их молекул. Все белки состоят из углерода, водорода, кислорода, азота и обычно серы, а некоторые, кроме того, содержат фосфор.

Гиалоплазма. Сложный состав. По консистенции приближается к гелю. Гели – структурированные коллоидные системы с жидкой дисперсной средой. Частицы дисперсной фазы соединены между собой в рыхлую пространственную структуру, что лишает систему текучести. Гель цитоплазмы относится к тиксотропным гелям, которые под воздействием внешних условий, которые могут менять свое агрегатное состояние и переходить в менее вязкую фазу, которая называется золь. При изменении состава микротрубочки разрушаются.

Гиалоплазма выполняет:

1)Синтез и отложение запасных полисахаридов, накопление липидов

2)Место протекания гликолиза и синтеза АТФ.

3)Место синтеза белка. Активация аминокислот с помощью специфических ферментов и связывания их с транспортными РНК.

4)В гиалоплазме происходит модификация ферментов, которая приводит к изменению функций и структуры белков.

5)Место локализации всех строительных блоков биомембран, а также всех промежуточных метаболитов.

6) Локализация всех неорганических соединений, причем концентрация неорганических веществ строго детерминирована и регулируется органоидами клетки.

Цитоскеле́т — это клеточный каркас или скелет, находящийся в цитоплазме живой клетки. Он присутствует во всех клетках эукариот, причем в клетках прокариот обнаружены гомологи всех белков цитоскелета эукариот. Цитоскелет — динамичная, изменяющаяся структура, в функции которой входит поддержание и адаптация формы клетки ко внешним воздействиям, экзо- и эндоцитоз, обеспечение движения клетки как целого, активный внутриклеточный транспорт и клеточное деление.Цитоскелет образован белками, выделяют несколько основных систем, называемых либо по основным структурным элементам, заметным при электронно-микроскопических исследованиях (микрофиламенты, промежуточные филаменты, микротрубочки), либо по основным белкам, входящим в их состав (актин-миозиновая система, кератины, тубулин-динеиновая система).

Цитоскелет выполняет три главные функции.

1.Служит клетке механическим каркасом, который придаёт клетке типичную форму и обеспечивает связь между мембранной и органеллами. Каркас представляет собой динамичную структуру, которая постоянно обновляется по мере изменения внешних условий и состояния клетки.

2.Действует как «мотор» для клеточного движения. Двигательные

(сократительные) белки содержатся не только в мышечных клетках, но и в других тканях. Компоненты цитоскелета определяют направление и координируют движение, деление, изменение формы клеток в процессе роста, перемещение органелл, движение цитоплазмы.

3. Служит в качестве «рельсов» для транспорта органелл и других крупных комплексов внутри клетки.

6.Строение и функции органоидов общего назначения: эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, митохондрии, пластиды, рибосомы, клеточный центр, микротрубочки. Органоиды специального назначения.

Эндоплазматическая сеть: одномембранный.(Составляет 70 % клетки.) Система уплощенных мембранных мешочков–цистерн- в виде трубочек и пластинок. Образует единое целое с наружной мембраной ядерной оболочки.

Если поверхность ЭПС покрыта рибосомами, то она называется гранулярной. По цистернам такой ЭПС транспортируется белок, синтезированный на рибосомах. Гладкая ЭПС (без рибосом) служит местом синтеза липидов и стероидов Комплекс Гольджи: одномембранный. Представляет собой стопку

уплощенных мешочков-цистерн, на коцах которых имеются отшнуровывающиеся участки в виде пузырьков.

Структурной единицей является диктиосома-стопка уплощенных цистерн. Является бункером клетки, так как в него поступают белки( синтезируется на рибосомах, затем идет в ЭПС, а после накапливается в комплексе).

Основная функция: формирование лизосом.

Лизосомы: Одномембранный. Простой сферический мешочек, образуется в комплексе Гольджи, заполнен пищеварительным (гидролитическим) ферментом. Функция: растворение «балласта» клетки.

Перокрисомы: Одномембранные. Являются разновидностью лизосом. С помощью ферментов (каталаза и пероксидаза) удаляют перикись. Митохондрии: Двумембранные. (автономные органоиды). Окружена оболочкой из двух мембран, внутренняя мембрана образует складки (кристы). Содержит собственные рибосомы и кольцевую ДНК. Функция: синтез АТФ.

Пластиды: Двумембранные. Содержатся только в растительных клетках. Различают: Хлоропласты, Хромопласты, Лейкопласты. Имеются телокоиды, которые образуют граны, содержащие пигмент хлорофил. Внутренне содержимое представлено стромой. Функция:участие в фотосинтезе.

Рибосомы: Немембранные. Очень мелкие органеллы состоящие из двух субъединиц( большой и малой). Которые соеденины между собой с помощью функционального центра рибосомы. Образуются в ядрышках ядра. Много рибосом, нанизанных на нить матричной РНК образуют полирибосому Ф-я: Синтез белка.

Клеточный центр: Немембранный. Главный центр организации микротрубочек, которые образуют цилиндр. Лучистая сфера образуется за счет белка тубулина. Функция: образование нитей веретена деления и участие в клеточном цикле эукариот.

Микротрубочки: Немембранные. Белковые внутриклеточные структуры, входящие в состав цитоскелета.Микротрубочки представляют собой полые цилиндры диаметром 25 нм. Длина их может быть от нескольких микрометров до, вероятно, нескольких миллиметров в аксонах нервных клеток. Их стенка образована димерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам, полярны: на одном конце

происходит самосборка микротрубочки, на другом — разборка. В клетках микротрубочки играют роль структурных во многих клеточных процессах.

Органоиды специального назначения: Органоиды специального назначения содержатся во многих растительных и животных клетках. К ним относятся органоиды движения (миофибриллы, реснички, жгутики, стрекательные капсулы и др.), опорные структуры (тонофибриллы), органоиды, воспринимающие внешние раздражения (например, фоторецепторы, статорецепторы и фонорецепторы), нейрофибриллы, а также структуры клеточной поверхности, связанные с всасыванием и перевариванием пищи (микроворсинки, кутикула и др. виды.)

7.Строение и функции ядра.

Как правило, эукариотическая клетка имеет одно ядро, но встречаются двуядерные (инфузории) и многоядерные клетки (опалина). Некоторые высокоспециализированные клетки вторично утрачивают ядро (эритроциты млекопитающих, ситовидные трубки покрытосеменных). Форма ядра — сферическая, эллипсовидная, реже лопастная, бобовидная и др. Диаметр ядра — обычно от 3 до 10 мкм.

Строение ядра:

1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — поры; 4 — ядрышко; 5 — гетерохроматин; 6 — эухроматин.

Ядро отграничено от цитоплазмы двумя мембранами (каждая из них имеет типичное строение). Между мембранами — узкая щель, заполненная полужидким веществом. В некоторых местах мембраны сливаются друг с другом, образуя поры (3), через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Наружная ядерная (1) мембрана со стороны, обращенной в цитоплазму, покрыта рибосомами, придающими ей шероховатость, внутренняя (2) мембрана гладкая. Ядерные мембраны являются частью мембранной системы клетки: выросты наружной ядерной мембраны соединяются с каналами эндоплазматической сети, образуя единую систему сообщающихся каналов.

Кариоплазма (ядерный сок, нуклеоплазма) — внутреннее содержимое ядра, в котором располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек. В состав ядерного сока входят различные белки (в том числе ферменты ядра), свободные нуклеотиды.

Ядрышко (4) представляет собой округлое плотное тельце, погруженное в ядерный сок. Количество ядрышек зависит от функционального состояния ядра и варьирует от 1 до 7 и более. Ядрышки обнаруживаются только в неделящихся ядрах, во время митоза они исчезают. Ядрышко образуется на определенных участках хромосом, несущих информацию о структуре рРНК.

Хроматин — внутренние нуклеопротеидные структуры ядра, окрашивающиеся некоторыми красителями и отличающиеся по форме от ядрышка. Хроматин имеет вид глыбок, гранул и нитей. В зависимости от функционального состояния хроматина различают: гетерохроматин (5) и эухроматин (6). Эухроматин — генетически активные, гетерохроматин — генетически неактивные участки хроматина. Эухроматин при световой микроскопии не различим, слабо окрашивается и представляет собой деконденсированные (деспирализованные, раскрученные) участки хроматина. Гетерохроматин под световым микроскопом имеет вид глыбок или гранул, интенсивно окрашивается и представляет собой конденсированные (спирализованные, уплотненные) участки хроматина. Хроматин — форма существования генетического материала в интерфазных клетках. Во время деления клетки (митоз, мейоз) хроматин преобразуется в хромосомы.

Функции ядра: 1) хранение наследственной информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления, 2) регуляция жизнедеятельности клетки путем регуляции синтеза различных белков, 3) место образования субъединиц рибосом.

8.Состав, строение, свойства и функции клеточных мембран.

Состоит из билипидного слоя (представленного фосфолипидами), пронизанного молекулами белков. Различают Интегральные, полуинтегральные и структурные молекулы белка. На наружной поверхности мембраны находится гликокаликсгликопротеиновый слой, выполняющий рецепторную функцию.

Функции клеточных мембран :

 Барьерная (обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой)

Транспортная (осуществляется перенос веществ ИЗ клетки и В

клетку)

Матричная (Обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие)

Механическая (Обеспечивает автономность клетки, ее структур, и соединений с другими клетками)

Энергетическая (При фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки)

Рецепторная (некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами)

Ферментативная (мембранные белки нередко являются ферментами)

Маркировка клеткина мембране есть антигены, действующие как маркеры,- «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины, играющие роль «антенн»

9.Виды пассивного и активного мембранного транспорта. Осмос, осмотические свойства клеток, диализ.

Молекулы веществ, диаметр которых не превышает 50 нм, могут проникать путем пассивного и активного транспорта через поры в структуре мембраны. Крупные вещества попадают в клетку путем эндоцитоза (транспорт в мембранной упаковке), требующего затраты энергии. Его разновидностями являются фаго- и пиноцитоз.

Пассивный транспорт – вид транспорта, в котором перенос веществ осуществляется по градиенту химической или электрохимической концентрации без затраты энергии АТФ. Выделяют два вида пассивного транспорта: простая и облегченная диффузия. Диффузия – это перенос ионов или молекул из зоны более высокой их концентрации в зону более низкой концентрации, т.е. по градиенту.

Простая диффузия – ионы солей и вода проникают через трансмембранные белки или жирорастворимые вещества по градиенту концентрации.

Облегченная диффузия – специфические белки-переносчики связывают вещество и переносят его через мембрану по принципу «пинг-понга». Таким способом через мембрану проходят сахара и аминокислоты. Скорость такого транспорта значительно выше, чем простой диффузии. Кроме белковпереносчиков, в облегченной диффузии принимают

участие некоторые антибиотики – например, грамитидин и ваномицин. Поскольку они обеспечивают транспорт ионов, их называют ионофорами. Активный транспорт – это вид транспорта, при котором расходуется энергия АТФ, он идёт против градиента концентрации. В нем принимают участие ферменты АТФ-азы. В наружной клеточной мембране находятся АТФ-азы, которые осуществляют перенос ионов против градиента концентрации, это явление называется ионным насосом. Примером является натрий-калиевый насос. В норме в клетке больше ионов калия, во внешней среде – ионов натрия. Поэтому по законам простой диффузии калий стремится из клетки, а натрий – в клетку. В противовес этому натрий-калиевый насос накачивает против градиента концентрации в клетку ионы калия, а ионы натрия выносит во внешнюю среду. Это позволяет поддерживать постоянство ионного состава в клетке и её жизнеспособность. В животной клетке одна треть АТФ расходуется на работу натрий-калиевого насоса.

Разновидностью активного транспорта является транспорт в мембранной упаковке – эндоцитоз. Крупные молекулы биополимеров не могут проникать через мембрану, они поступают в клетку в мембранной упаковке. Различают фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз – захват клеткой твердых частиц, пиноцитоз – жидких частиц. В этих процессах выделяют стадии:

1) узнавание рецепторами мембраны вещества; 2) впячивание (инвагинация) мембраны с образованием везикулы (пузырька); 3) отрыв пузырька от мембраны, слияние его с первичной лизосомой и восстановление целостности мембраны; 4) выделение непереваренного материала из клетки (экзоцитоз).

Эндоцитоз является способом питания для простейших. У млекопитающих и человека имеется ретикуло-гистио-эндотелиальная система клеток, способная к эндоцитозу – это лейкоциты, макрофаги, клетки Купфера в печени.

ОСМОТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЛЕТКИ Осмос – односторонний процесс проникновения воды через

полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией раствора в область с более высокой концентрацией. Осмос обусловливает осмотическое давление.

Диализ – односторонняя диффузия растворенных веществ.

Раствор, в котором осмотическое давление такое же, как и в клетках, называют изотоническим. При погружении клетки в изотонический раствор её объем не изменяется. Изотонический раствор называют физиологическим – это 0,9% раствор хлорида натрия, который широко

применяется в медицине при сильном обезвоживании и потери плазмы крови.

Раствор, осмотическое давление которого выше, чем в клетках, называют гипертоническим. Клетки в гипертоническом растворе теряют воду и сморщиваются. Гипертонические растворы широко применяются в медицине. Марлевая повязка, смоченная в гипертоническом растворе, хорошо впитывает гной.

Раствор, где концентрация солей ниже, чем в клетке, называют гипотоническим. При погружении клетки в такой раствор вода устремляется в нее. Клетка набухает, ее тургор увеличивается, и она может разрушиться. Гемолиз – разрушение клеток крови в гипотоническом растворе.

Осмотическое давление в организме человека в целом регулируется системой органов выделения.

10.Понятие о жизненном, клеточном и митотическом цикле клетки. Интерфаза, виды интерфаз. Периоды аутосинтетической интерфазы

Жизненный цикл клетки(ЖЦК)-это период с момента ее появления до следующего деления или гибели ЖЦК= митоз+ Гетеро-синтетическая интерфаза+ Аутосинтетическая интерфаза

Клеточный цикл(КЦ)- период подготовки клетки к делению и само деление.

КЦ= Аутосинтетическая интерфаза+ митоз Митотический цикл клетки(МЦК)-все процессы митоза.

Интерфазастадия жизненного цикла клетки между двумя последовательными митотическими делениями.

Виды интерфаз:

o Аутосинтетическая-происходит подготовка клетки к следующему делению.

G1-Предсинтетический или постмитотический периодклетка интенсивно растет.

S- Синтетический период-(если клетка не делится, то у нее нет этого периода(пример-нервная клетка))- происходит удвоение ДНК

G2-Предмитотический или постсинтетический периодклетка накапливает АТФ и тубулин-готовиться к делению.

11. Митоз. Его сущность, фазы, биологическое значение. Амитоз.

Митознепрямое, полноценное деление соматических клеток. Обеспечивает формирование дочерних клеток с таким же набором хромосом, как и материнская (2n).

Изучают на стадии метафазы. Профаза:

Хроматин спирализуется

Растворяются ядрышки

Растворяется ядерная оболочка

Центриоли расходятся к полюсам клетки и начинается формирование нитей веретена деления.

Метафаза:

Заканчивается формирование нитей веретена деления

Хромосомы выстраиваются на экваторе клетки, образуя метафазную пластинку.

Анафаза:

Дочерние хромосомы расходятся к полюсам клеток. Телофаза:

Хромосомы деспирализуются

Появляется ядро и ядрышкинити веретена деления разрушаются, обеспечивается цитокинез.

Разделение цитоплазмы на две дочерние клетки

Образование ядерной оболочки

В Телофазе происходят процессы обратные профазе.

Амитозпрямое неполноценное деление клетки. (Способ образования злокачественных новообразований). Деление клеток простым делением ядра на пополам.

Нити веретена деления не образуются, ядро делится пополам случайным образом, генетический материал распределяется не равномерно.

12. Мейоз. Стадии, биологическое значение.

Мейозпроцесс образования половых клеток. Биологическое значение:

1)является основным этапом гаметогенеза;

2)обеспечивает передачу генетической информации от организма к организму при половом размножении;

3)дочерние клетки генетически не идентичны материнской и между собой.

Первое деление (редукционное)

Профаза I

По-другому этот этап называют стадией тонких нитей.

лептотена

Хромосомы выглядят в микроскопе как спутанный клубок. Иногда выделяют пролептотену, когда отдельные ниточки еще сложно разглядеть.

Стадия сливающихся нитей. Гомологичные, то есть сходные между собой по морфологии и в генетическом отношении,

зиготена

пары хромосом сливаются. В процессе слияния, то есть конъюгации, образуются биваленты, или тетрады. Так называют довольно устойчивые комплексы из пар хромосом.

Стадия толстых нитей. На этом этапе хромосомы спирализуются и завершается репликация ДНК, образуются

пахитена

хиазмы - точки контакта отдельных частей хромосом - хроматид. Происходит процесс кроссинговера. Хромосомы перекрещиваются и обмениваются некоторыми участками генетической информации.

Также называется стадией двойных нитей. Гомологичные диплотена хромосомы в бивалентах отталкиваются друг от друга и

остаются связанными только в хиазмах.

Метафаза

Оболочка ядра разрушается, формируется веретено

I

деления. Биваленты перемещаются к центру клетки и выстраиваются вдоль экваториальной плоскости.

Биваленты распадаются, после чего каждая хромосома из Анафаза I пары перемещается к ближайшему полюсу клетки.

Разделения на хроматиды не происходит.

Завершается процесс расхождения хромосом. Происходит формирование отдельных ядер дочерних клеток, каждое - с

Телофаза I гаплоидным набором. Хромосомы деспирализуются, образуется ядерная оболочка. Иногда наблюдается цитокинез, то есть деление самого тела клетки.

Второе деление (эквационное)

13. Гаметогенез: ово - и сперматогенез.

Гаметогенез – это последовательный процесс, который обеспечивает размножение, рост и созревание половых клеток в мужском организме (сперматогенез) и женском (овогенез).

Гаметогенез протекает в половых железах - сперматогенез в семенниках у мужчин, а овогенез в яичниках у женщин. В результате гаметогенеза в организме женщины образуются женские половые клетки - яйцеклетки, а у мужчин - мужские половые клетки сперматозоиды. Именно процесс гаметогенез (сперматогенез, овогенез) дает возможность мужчине и женщине возможность воспроизведения потомства.

Характеристика овогенеза и сперматогенеза Гаметогенез имеет несколько стадий. Сходство сперматогенеза и

овогенеза как раз и заключается в том, что три стадии у них одинаковы.

1.Стадия размножения. Первичные клетки на этой стадии называются сперматогониями и овогониями, из них в последующем образуются мужские и женские половые клетки. Половые клетки несколько раз делятся путем митоза, и количество их значительно возрастает. Сперматогонии размножаются у мужчины в течение всего репродуктивного периода, а размножение овогоний происходит в эмбриональном периоде и наиболее интенсивно происходит во 2 - 5 месяц внутриутробного развития.

2.Стадия роста. В этот период клетки значительно увеличиваются в размерах. Сперматогонии и овогонии превращаются в сперматоциты и овоциты I порядка. Овоциты I порядка достигают больших размеров, поскольку накапливают питательные вещества.

3.Стадия созревания. На этой стадии происходят два следующих друг за другом деления - мейоз I и мейоз II. После первого деления образуются

сперматоциты и овоциты II порядка, а после второго деления - сперматиды и зрелые яйцеклетки с тремя полярными тельцами, которые в процессе размножения не участвуют и погибают. При созревании один сперматоцит I порядка дает четыре сперматиды, а один овоцит I порядка образует одну яйцеклетку и три полярных тельца.

Эти особенности сперматогенеза и овогенеза имеют биологический смысл, который связан с разным назначением мужских и женских гамет. Неравномерное деление клеток при овогенезе (меньше) обеспечивает формирование крупной яйцеклетки, в ней накапливается большее количество питательных веществ, так как из оплодотворенного яйца будет развиваться новый организм.

При сравнительной характеристике овогенеза и сперматогенеза можно заметить, что сперматозоидов образуется значительно больше, и это также имеет биологический смысл. Яйцеклетку достигает только один сперматозоид, проникает в нее и доставляет свой набор хромосом. Остальные же в процессе поиска яйцеклетки массово погибают. При сравнении овогенеза и сперматогенеза становится понятным, почему сперматозоидам нет необходимости в запасании питательных веществ - их существование кратковременно, а подвижность должна быть высокой. 4. Стадия формирования. Она характерна только для сперматогенеза. Незрелая сперматида превращается в сперматозоид, приобретая свойственный ему вид. Образование сперматозоидов у мужчин начинается только в период полового созревания и происходит в течение всего года. Период развития сперматогоний в зрелые сперматозоиды составляет 74 дня.

Схема овогенеза и сперматогенеза

Краткую, обобщенную характеристику овогенеза и сперматогенеза представляет следующая таблица сперматогенеза и овогенеза:

Подытоживая все, можно привести сравнительную характеристику овогенеза и сперматогенеза. В сущности, это и будут особенности сперматогенеза и овогенеза.

1.Мы выяснили, что гаметогенез включает стадии размножения, роста и созревания клеток. Сперматогенез включает также стадию формирования (ее нет при овогенезе), в этом заключаются отличия сперматогенеза от овогенеза. Сперматозоиды проходят дополнительную четвертую стадию для того, чтобы приобрести своеобразную форму и сформировать аппарат движения.

2.Второе отличие сперматогенеза от овогенеза: из сперматоцита I порядка получается четыре половых клетки, а из ооцита I порядка получается одна полноценная половая клетка.

3.Яйцеклетки образуются циклически, процесс повторяется через 21-35 дней (менструальный цикл). После гибели яйцеклетки, что сопровождается кровотечением, изменившийся гормональный фон дает толчок к созреванию другой яйцеклетки. Сравнительная характеристика овогенеза и сперматогенеза показывает, что у женщин мейоз начинается в период внутриутробного развития. Ооциты I порядка у новорожденной девочки останавливаются в фазе мейоз I, и завершается созревание ооцита к моменту полового созревания. У мальчиков процесс образования сперматозоидов идет непрерывно и сохраняется в течение всей половой зрелости мужчины.

4.Из характеристики овогенеза и сперматогенеза следует, что существуют значительные различия в количестве образованных половых клеток в женском и мужском организме. Взрослый мужчина производит 30 миллионов спермиев в день, а женщина - порядка 500 зрелых яйцеклеток за всю свою жизнь.

5.Различия сперматогенеза и овогенеза заключаются также в том, что стадия размножения при сперматогенезе идет постоянно, а при овогенезе заканчивается после рождения.

6.Стадия роста при сперматогенезе короче, чем при овогенезе.

7.Стадия созревания при овогенезе имеет особенности, которые заключаются в неравномерности делений при созревании, что приводит к выделению полярных телец, что отсутствует при сперматогенезе.

8.Различия сперматогенеза и овогенеза заключаются в том, что сперматогенез более подвержен влиянию внешней среды, нежели овогенез, что связано с различием в расположении половых органов - семенники находятся вне брюшной полости.

9.Из сравнительной характеристики овогенеза и сперматогенеза можно увидеть, что, поскольку образование яйцеклеток начинается еще до рождения девочки, а завершается для яйцеклетки только после ее оплодотворения, то неблагоприятные факторы внешней среды могут повлечь генетические аномалии у потомства.

14.Хромосомы. Их химический состав, надмолекулярная организация (уровни упаковки ДНК).

Хромосомы — это цитологические палочковидные структуры, представляющие собой конденсированный хроматин и появляющиеся в клетке во время митоза или мейоза.

Основу хромосомы составляет одна непрерывная двухцепочечная молекула ДНК; длина ДНК одной хромосомы может достигать нескольких сантиметров. Понятно, что молекула такой длины не может располагаться в клетке в вытянутом виде, а подвергается укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию.

Хромосомы: 1 — метацентрическая; 2 — субметацентрическая; 3, 4 — акроцентрические. Строение хромосомы: 5 — центромера; 6

— вторичная перетяжка; 7 — спутник; 8 — хроматиды; 9 — теломеры

.

Метафазная хромосома (хромосомы изучаются в метафазу митоза) состоит из двух хроматид (8). Любая хромосома имеет первичную перетяжку (центромеру) (5), которая делит хромосому на плечи.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку (6) и спутник (7). Спутник — участок короткого плеча, отделяемый вторичной перетяжкой. Хромосомы, имеющие спутник, называются спутничными (3). Концы

Молекула ДНК в хромосомах тесно связана с двумя классами белков - гистонами (основные белки) и негистонами (кислые белки).

Гистоны - это небольшие по величине белки с высоким содержанием заряженных аминокислот (лизина и аргинина).

Суммарный положительный заряд позволяет гистонам связываться с ДНК независимо от нуклеотидного состава. Им принадлежит в основном структурная функция. Это очень стабильные белки, молекулы которых могут сохраняться в течение всей жизни клетки.

В эукариотической клетке присутствуют 5 типов гистонов, которые распределяются на две основные группы: первая группа (их обозначают как Н2А, Н2В, НЗ, Н4) отвечает за формирование специфических дезоксирибонуклеопротеидных комплексов - нуклеосом. Вторая группа гистонов (H1) располагается между нуклеосомами и фиксирует укладку нуклеосомной цепи в более высокий уровень структурной организации (супернуклеосомную нить).

Среди гистоновых белков, кроме структурных, встречаются такие, которые способны ограничивать доступность ДНК для ДНК - связывающих регуляторных белков и тем самым участвовать в регуляции активности генов.

Негистоновые белки весьма разнообразны. Число их фракций превышает 100. Они присутствуют в меньших количествах в хромосомах в сравнении с гистонами и выполняют в основном регуляторную функцию. Участвуют в регуляции транскрипционной активности генов, в обеспечении редупликации и репарации ДНК.

Большинство негистоновых белков хроматина присутствуют в клетках в

небольшом количестве (минорные) - это регуляторные белки, узнающие

специфические последовательности ДНК и связывающиеся с ними. Они вовлечены во многие генетические процессы, но известно о них пока немного. Количественно преобладают негистоновые белки (мажорные), высокоподвижные, относительно малого размера, с большим электрическим зарядом - они всегда соединяются с нуклеосомами, содержащими активные гены. Кроме того, в группу негистоновых белков входит много ферментов.

Надмолекулярная организация хромосом

Надмолекулярная организация хромосом называется еще или спирализацией, или конденсацией, или компактизацией.

В настоящее время принято три уровня надмолекулярной организации хромосом: первичный, вторичный, третичный.

Компактизация ДНК для эукариотической клетки важна по двум причинам: она позволяет не запутать и упорядоченно расположить очень длинные молекулы ДНК в небольшом объеме клеточного ядра и, кроме того, это один из способов функционального контроля генов - характер упаковки ДНК влияет на активность некоторых участков генома.

Первичный уровень надмолекулярной организации — нуклеосомный

(рис.4). Элементарной структурой хромосомы, различаемой с помощью электронного микроскопа, является нить диаметром 10-13 нм, представляющая собой комплекс ДНК и гистоновых белков. Эта нить состоит из гистонового остова (в виде цепочки расположенных друг за другом белковых телец дисковидной формы), поверх которого спирально закручена нить ДНК. Комплекс ДНК и гистонов на уровне одного дисковидного тельца называется нуклеосомой. Она содержит по две молекулы каждого из 4-х типов гистона (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), соединенных в форме октамера. ДНК в нуклеосоме лежит поверх октамера, накручиваясь спирально на гистоновый остов. На уровне каждой нуклеосомы ДНК образует 2,3 оборота спирали, что соответствует примерно 200 парам нуклеотидов. Связь между соседними нуклеосомами осуществляется за счет гистона H1. На этот связывающий участок приходится 60 пар нуклеотидов. Формируется нить диаметром примерно 11 нм.

Нуклеосома - это универсальная частица, которая обнаруживается как в эухроматине, так и в гетерохроматине, в интерфазном ядре и метафазных хромосомах.

Рисунок 4. Уровни надмолекулярной организации хромосом.

В случае линейной выпрямляемости, которая едва ли присутствует в живой клетке, образуемая нуклеосомами структура напоминает нитку "бус" и называется нуклеосомной нитью. Благодаря нуклеосомной организации хромосом происходит укорочение исходной длины ДНК в 7раз, т.е. происходит компактизация. Это, видимо, состояние

суперспирали нуклеосомная нить спирально закручивается за счет взаимодействия гистонов HI и НЗ. Не исключено также и участие в этом негистоновых белков (рис. 5). Этот уровень укладки ДНК соответствует, по-видимому, наблюдаемым под световым микроскопом профазным митотическим и мейотическим хромосомам. Или интерфазным, но не транскрибируемым, возможно, участкам хромосом, т. е. гетерохроматиновым.

Третий уровень хромосомной укладки изучен менее всего.

Существует две модели: в основу первой положен принцип спиральной укладки, в основе второй - строение по принципу складывания петель. В последние годы накоплен многочисленный материал, говорящий о реальности петлеобразных структур в хромосоме и их плотной упаковке в метафазной хромосоме вокруг осевого каркаса, построенного из

негистоновых белков. Петлевые структуры, но не плотно упакованные, есть и в интерфазной хромосоме. Вокруг каркаса, как в щетке-ерше, располагаются петли суперспиральной нити. Причем концы каждой петли локализуются на одной и той же точке белкового каркаса. Предполагается также, что петли могут скручиваться вокруг своей собственной оси, т.е. метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель (рис. 6).

Третий

уровень укладки -

это

конденсаци

я

профазной

хромосомы

в

метафазну ю. Толщина такой структуры достигает

1400 нм

(две хроматиды), а молекула

ДНК при этом укорачивается в I04 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул HI. В любом случае ДНК в ядрах эукариотических клеток образует иерархическую систему спиралей и петель, основной единицей которой является нуклеосома. Нуклеосомы, в свою очередь, расположены не везде строго одинаково. Эти малозаметные и малоизученные различия биологически очень важны, т.к., по-видимому, они преимущественно происходят в тех областях хроматина, где находятся активные гены. В S- период интерфазы процесс репликации каким-то образом, как - неизвестно, проходит через нуклеосомы родительской цепи хроматина, которые переходят на одну из дочерних спиралей ДНК. Тогда все новые октамеры гистонов присоединяются ко второй дочерней спирали ДНК, свободной от нуклеосом.

Нуклеосомная структура сохраняется и во время транскрипции ДНК, хотя довольно трудно представить себе, как РНК-полимераза может транскрибировать ассоциированную с гистонами ДНК без каких-либо заметных изменений в организации нуклеосомы. Но в клетках эмбрионов насекомых в области активированных генов для р-РНК, по-видимому, нуклеосомы отсутствуют. И биохимические отличия между транскрибируемым активным и неактивным хроматином обнаружены. В частности, H1 соединен с нуклеосомами гораздо менее прочно в активном хроматине, и вообще гистоны в этих участках обнаруживают более высокую степень ацетилирования.

15. Особенности строения интерфазных хромосом. Их функция. Понятие о хроматине, виды хроматина. Половой хроматин.

Продольная организация хромосом высших организмов, в основе которой лежит взаимосвязь морфологических, химических и функциональных закономерностей, характеризуется линейной неоднородностью. Уже интерфазные хромосомы оказываются глубоко дифференцированными по степени конденсации хроматина, что первоначально было обнаружено с помощью световой микроскопии.

Одни их участки становятся деконденсированными (эухроматин), другие остаются конденсированными (гетерохроматин). В метафазных хромосомах подразделение на эти два типа хроматина не исчезает. Оно проявляется в естественном ходе митотической конденсации: в ранней профазе районы гетерохроматина опережают в своей конденсации эухроматиновые участки. Остаточные явления неодинаковой конденсации интерфазной хромосомы обнаруживаются морфологически и в метафазе (в области вторичной перетяжки).

Понятие "гетерохроматин" и "эухроматин" в результате цито - генетических исследований получили генетическое содержание. Гетерохроматин в отличие от эухроматина не содержит структурных генов или обеднён ими. В то же время эухроматин - это функционально активный, транскрибируемый хроматин, т.е. структура хроматина оказывает влияние на регуляцию экспрессии эукариотических генов. Подобно митотическому хроматину гетерохроматин не участвует в транскрипции, ДНК в составе гетерохроматина реплицируется в позднем периоде S-периода клеточного цикла. Биохимические основы наблюдаемых различий между гетеро- и эухроматином неизвестны.

Некоторые участки хромосом конденсируются в гетерохроматин во всех клетках организма - это конститутивный гетерохроматин. Другие участки хромосом формируют гетерохроматин лишь в определенных клетках -

факультативный гетерохроматин.

Конститутивный гетерохроматин содержит ДНК, которая, по всей видимости, никогда ни в одной клетке не транскрибируется.

Вхромосомах человека он локализуется вокруг центромер и легко обнаруживается в митотических хромосомах с помощью специальной окраски, хотя может быть обнаружен и в других районах некоторых хромосом (1, 9, 16, У). Подобное же состояние характерно для сателлитной ДНК и ДНК с высокоповторяюшимися последовательностями. Следовательно, большая часть конститутивного гетерохроматина содержит серии сравнительно простых, многократно повторяющихся последовательностей ДНК. В целом функция конститутивного гетерохроматина остается неясной. Предполагают, что некоторые сегменты этого хроматина играют определенную роль в спаривании хромосом в мейозе. Возможно, он влияет на стабилизацию структуры хроматина и защищает генетически значимые последовательности эухроматических районов от внешних воздействий, но классических менделевских генов здесь, скорее всего, нет.

Винтерфазной клетке участки конститутивного хроматина агрегируют с образованием хромоцентров, что мы видим в световой микроскоп в виде мельчайших "глыбок хроматина". У млекопитающих количество их и характер распределения варьируют в зависимости от типа клетки и стадии развития организма.

Факультативный гетерохроматин имеет более отчетливое функциональное значение. Почти не вызывает сомнения, что он отражает устойчивые различия в характере генетической активности клеток разных типов, и количество этого хроматина в разных клетках варьирует: в эмбриональных клетках его совсем немного, тогда как высокоспециализированные клетки содержат его в чрезвычайно больших количествах, т.е. часть генов выключается из транскрипции. Факультативный гетерохроматин содержит уникальные участки ДНК, а не высокоповторяющиеся, и ничем не обнаруживает себя при окрашивании митотических хромосом. Подобный способ генетической регуляции бактериям недоступен.

Частный случай факультативной гетерохроматизации - это инактивация одной из двух Х-хромосом в клетках женских особей млекопитающих, которая происходит на ранних стадиях эмбрионального развития (в трофобласте человека на 12-й день развития, а собственно в эмбрионе -

на 16-й день). Одновременно во всех клетках эмбриона женской особи с равной вероятностью одна или другая Х-хромосома конденсируется и образует гетерохроматин. Это состояние хромосомы устойчиво наследуется во всех последующих циклах репликации. Из-за этого каждый женский организм имеет как бы мозаичное строение, т.к. образован клональными группами клеток, примерно в половине которых гетерохроматизирована Х-хромосома, унаследованная по материнской линии, а в другой - Х-хромосома, унаследованная по отцовской линии.

В интерфазе гетерохроматизированные Х- хромосомы представляют собой четко оформленные структурные образования, называемые

тельцами Барра, которые близко прилегают к внутренней мембране ядра и хорошо различимы в световой микроскоп. Тельца Барра

16.Политенные хромосомы. Эндомитоз.

Политенные хромосомы

Чтобы уловить изменения в структуре хроматина на уровне индивидуальных генов, необходимо изучать растянутые интерфазные хромосомы. В обычных клетках это невозможно, потому что нити интерфазного хроматина слишком тонки и запутаны. Благодаря же явлению политении на интерфазных хромосомах отчетливо видны многочисленные поперечные полосы, частота чередования которых позволяет предположить, что они соответствуют индивидуальным генам.

Политенные хромосомы (гигантские хромосомы) содержат во много раз больше ДНК, чем обычные (рис.8, 9). Они не изменяют своей формы на протяжении всего митотического цикла и достигают длины до 0,5 мм, а толщины - до 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах

хромосомы типа ламповых щеток, по-видимому, создают

запас РНК для последующих стадий развития. Наблюдаемые структуры типа ламповых щеток представляют собой транскрипционно активный хроматин и не являются типичными для соматических клеток.

Эндомитоз-внутриядерное увеличение набора хромосом

Обычно во время клеточного деления РНК не синтезируется, а

17. Особенности строения метафазных хромосом. Типы хромосом. Хромосомный набор. Правила хромосом.

Хромосомы как отдельные структуры становятся доступными для исследования только после значительной конденсации хроматина, которая наступает во время митоза (в соматических клетках) либо во время мейоза (при образовании половых клеток). Начавшаяся в профазе конденсация хроматина заканчивается в метафазе, поэтому, как правило, хромосомы изучаются на стадии метафазной пластинки.

Винтерфазе хромосомы находятся в деконденсированном состоянии, и определить их как отдельные структуры не представляется возможным.

Вметафазе каждая хромосома имеет как бы иксобразную форму и состоит из двух идентичных половин - хроматид (сестринских хромосом), тесно прилежащих друг к другу только в области первичной перетяжки (центромеры), а на остальном протяжении между хроматидами видна большая щель. Центромера - это тот участок, где хромосома находится в деконденсированном состоянии, и к ней прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит хромосомы на плечи (рис. 1). По положению центромеры выделяют три вида хромосом.

1.Метацентрические, у которых плечи имеют примерно одинаковую длину (т.е. центромера расположена посередине хромосомы).

2.Субметацентрические, у которых центромера смещена от середины, располагается субмедиально и делит хромосому на два плеча неравной длины. Верхнее всегда меньшее.

З. Акроцентрические, у которых центромера расположена почти на конце хромосомы, отделяя от длинного плеча очень короткое верхнее плечо.

Рисунок 1. Метафазные хромосомы.

Верхние короткие плечи принято обозначать буквой "р", а нижние длинные - буквой "q". Характерной чертой для некоторых хромосом является наличие вторичных перетяжек, они возникают в участках неполной конденсации хромосом и располагаются в околоцентромерных участках 1-й, 9- й и 16-й хромосом. Вторичные перетяжки имеются также в 13-15 и 21 -22-й хромосомах, однако здесь они занимают удаленное от центромеры положение, отделяя небольшой концевой участок короткого плеча хромосом в виде спутника. Эти хромосомы называют спутничными. В этих хромосомах в

области вторичной перетяжки Рисунок 2. Строение хромосомы. сосредоточены гены, кодирующие

р-РНК, и в прилежащих участках кариоплазмы образуются ядрышки. Поэтому такого рода вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами (рис.2).

В хромосомных наборах одних людей указанные хромосомы имеют вторичную перетяжку, а в этих же хромосомах у других людей её может не быть

18. Кариотип человека. Его определение. Кариограмма, принцип составления. Идиограмма, ее содержание.

Все, что изложено выше относительно химического состава и структуры хромосом эукариот, типично и для хромосом человека. Некоторой детализации требует информация, позволяющая идентифицировать с большей степенью точности любую хромосому человека.

1956 год - шведы Тио и Леван, англичане Форд и Хамертон установили, что ядро диплоидной клетки человека содержит 46 хромосом – это хромосомный набор или кариотип человека; в 1960 – Мурхед и сотр. (США) разработали метод приготовления препаратов хромосом из кратковременной культуры лимфоцитов; в 1968-70 гг. разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом, что позволило однозначно идентифицировать все хромосомы человека - все эти манипуляции производились и производятся только на метафазных хромосомах, ибо они различимы лучше всего, т.к. они максимально укорочены и утолщены, лежат свободно одна от другой, располагаются все в одной плоскости клетки (экваториальной); кроме того, исследуются только те метафазные хромосомы, хроматиды которых отделились друг от друга в области плеч, а в центромерной части еще соединены.

Совокупность всех метафазных хромосом, расположенных относительно произвольно в экваториальной плоскости клетки, именуется метафазной пластинкой или просто хромосомным набором. После приготовления препаратов хромосом, которые можно приготовить из всех тканей и клеточных суспензий, содержащих делящиеся клетки (в зависимости от целей важно, конечно, количество метафаз), хромосомы окрашиваются, ибо только после этого их можно различить в световой микроскоп, получить микрофотографию, идентифицировать и, расположив их в определенном порядке, т.е. составив кариограмму, получить целостное представление о кариотипе конкретного человека. Кариограмма - это те же хромосомы метафазной пластинки, но расположенные упорядоченно. Принцип упорядоченности - общий для всего вида и определяется идиограммой. Идиограмма - это графическое изображение гаплоидного набора хромосом (можно и диплоидного) и расположения их по группам в зависимости от формы и величины. Группы располагаются в порядке уменьшения величины входящих в них хромосом.

В современных цитогенетических лабораториях процесс составления кариограммы компьютеризирован.

19.Денверская классификация хромосом и их Парижская номенклатура.

Наиболее простой способ окрашивания хромосом - красителем Гимза или 2%-м ацетоорсеином, или 2%-м ацетокармином. При этом хромосомы окрашиваются целиком, равномерно и интенсивно. Окрашенные таким образом хромосомы, согласно Денверской классификации (I960), располагались в идиограмме в зависимости от их длины и нумеровались по парам от 1 до 23. Тогда же Патау предложил разбить 23 пары

хромосо м на 7

групп от А до G с

учетом

располо

Рисунок 11. Д

жения

центром

еры

(рис.11).

Важным

признако м, уточняю щим форму хромосо

мы, стал центромерный индекс: отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы, выраженное в %. Комплекс этих параметров позволял с немалой степенью точности распределить хромосомы по группам, но идентифицировать их, особенно в группах В, С, D, F и G, было невозможно.

Однако уже при стандартном (рутинном) равномерном окрашивании хромосом замечали, но оставили без внимания некоторую неоднородность в плотности окрашивания по длине хромосом. И только позже (1968 г.), когда Касперсон с сотрудниками обнаружили, что после обработки акрихин-ипритом флуоресценция по длине хромосом распределена не равномерно, а в виде сегментов, они показали, что каждую хромосому можно надежно идентифицировать с помощью такого метода дифференциального окрашивания, ибо расположение сегментов для каждой хромосомы строго специфично. Вскоре стало ясно, что очень

сходный рисунок сегментации хромосом можно получить и с помощью красителя Гимза, дополнив окрашивание некоторыми приемами. Впоследствии при разных способах обработки хромосом были обнаружены разные типы сегментов.

На Парижской конференции по стандартизации и номенклатуре хромосом человека (1971) все полученные к тому времени данные по дифференциальному окрашиванию хромосом были сопоставлены, и оказалось, что все методы в принципе выявляют одни и те же структуры, но каждый специфичен в отношении определенных сегментов (рис. 12). И обозначать различные типы сегментов решили по методам, с помощью которых

они выявляются.

Q - сегменты - флуоресцирующие после окраски акрихин-ипритом; G - сегменты (Гимза) - выявляются при окрашивании красителем Гимза в сочетании с дополнительными процедурами; Q и G сегменты идентичны, но в большинстве лабораторий предпочитают этот метод, т.к. он

не требует использования флуоресцентного микроскопа, и эти препараты дольше хранятся; однако только с помощью Q-метода можно идентифицировать Y-хромосому человека даже в интерфазном ядре;

R - сегменты - окрашиваются после контролируемой тепловой денатурации, располагаются между Q и G - сегментами;

С - сегменты - конститутивный гетерохроматин, располагается в прицентромерных районах обоих плеч хромосомы; Т - сегменты - расположены в теломерных (концевых) районах хромосом.

Химическая природа дифференциального окрашивания еще только исследуется. Обсуждаются две основные гипотезы: первая исходит из того, что различные участки хромосом человека отличаются по количественному содержанию пар оснований аденин - тимин и гуанин - цитозин. Отсюда разная степень усвоения ими красителей. В частности, блоки с большим содержанием пар А-Т связываются преимущественно с

акрихин-ипритом, следовательно, Q-сегменты соответствуют участкам, богатым А-Т - парами; R-сегменты соответствуют участкам, богатым Г-Ц - парами, которые более устойчивы к тепловой денатурации - это, однако, не объясняет всех особенностей сегментации хромосом. Вторая гипотеза, белковая, исходит из данных о том, что предварительная протеолитическая обработка перед окрашиванием красителем Гимза индуцирует появление G-сегментов, а так как разные по составу участки ДНК связаны с разными белками, можно полагать, что рисунок сегментации зависит от особенностей комплекса ДНК - белок.

И все же, что собой представляют полосы - сегменты митотических хромосом, остается загадкой. Даже небольшие тонкие полосы содержат не менее 30 гигантских петель, суммарный нуклеотидный состав которых более 1 млн. нуклеотидов. Возможно, существование таких структурных блоков связано с функционированием эукариотического генома вообще, хотя сами по себе сегменты ничего конкретного о функционировании индивидуальных генов не говорят, ибо в самой тонкой полосе, которую еще можно различить, содержится от 10 до 100 генов. Но то, что картина распределения сегментов в хромосомах почти не изменилась за долгие периоды эволюции (почти каждая хромосома человека имеет своего аналога в кариотипе шимпанзе, гориллы, орангутана), свидетельствует о большом значении пространственной организации ДНК для экспрессии соответствующих генов.

Итак, информация, полученная в результате анализа дифференциально окрашенных хромосом, позволяет представить идиограмму хромосом человека следующим образом:

Группа А, 1-3 хромосомы - большие метацентрические и субметацентрические хромосомы; 1-ая - самая большая метацентрическая, центромерный индекс (ЦИ) 48 - 49%, в длинном плече вблизи центромеры часто обнаруживается вторичная перетяжка; вторая самая большая субметацентрическая ЦИ 38-40%; 3-я -почти на 20% короче 1 -ой, ЦИ 45-46%, метацентрическая.

Группа В, 4 и 5 хромосомы - большие субметацентрические. ЦИ 24-30%, без дифференциального окрашивания друг от друга не отличаются.

Группа С, 6-12 хромосомы и Х-хромосома - средние субметацентрические хромосомы 6, 7, 8,11 и 12 - относительно субметацентрические, ЦИ - 27-35; 11 и 12 обнаруживают очень сходный рисунок сегментации, однако 11-я хромосома более метацентрическая; в 9-й в длинном плече часто обнаруживают вторичную перетяжку, которая не окрашивается ни акрихином, ни красителем Гимза; Х-хромосома значительно варьирует по длине, в целом сходна с самыми длинными из

последовательностями обнаруживают признаки конститутивного гетерохроматина. Участки с уникальными последовательностями пар нуклеотидов проявляют свойства эухроматина, это транскрибирующиеся участки - т.е. собственно гены, они соответствуют светлым G- и темным R- сегментам дифференциально окрашенных хромосом.

Благодаря успехам в молекулярной генетике человека разработан принципиально новый метод изучения хромосом – метод флюоресцентной гибридизации in situ (FISH) (in situ – в месте нахождения).

Суть этого молекулярно-цитогенетического метода заключается в следующем:

1 – для изучаемой хромосомы или ее конкретного участка готовят комплементарный однонитевой участок ДНК, к которому присоединяют биотин или дигоксигенин, - такой помеченный участок ДНК называется

зондом;

2 – на микроскопическом препарате хромосом (in situ) при обработке щелочью хромосомная ДНК денатурирует, т.е. разрываются водородные связи между двумя комплементарными нитями ДНК; 3 – полученным ранее зондом обрабатывают препарат – зонд

присоединяется к хромосоме в комплементарном участке ДНК, происходит ренатурация – между зондом и соответствующим участком молекулы ДНК формируются водородные связи; 4 – затем препарат обрабатывают веществом, которое избирательно

может присоединяться к биотину или дигоксигенину, после чего к зонду можно присоединить флюоресцентный краситель (или красный – родамин, или зеленый – флюоресцеина изотиоцианат); 5 – теперь с помощью люминесцентного микроскопа можно увидеть окрашенные хромосомы на фоне неокрашенных.

Можно использовать не только двух, но и трехцветные варианты метода.

Метод FISH применяется очень широко – от определения локализации гена до расшифровки сложных перестроек между несколькими хромосомами. Он требует меньше времени, чем кариотипирование дифференциально окрашенных хромосом.

Метод FISH можно применять для диагностики анеуплоидий в интерфазных ядрах – интерфазная цитогенетика. Например, в течение нескольких часов можно получить информацию о количестве 21 - й хромосомы в клетках амниотической жидкости (пренатальная – дородовая диагностика синдрома Дауна у плода) – специфический ДНК – зонд для 21 - ой хромосомы покажет в ядрах этих клеток или 2 - е

светящиеся точки, что соответствует двум 21-м хромосомам, или три – что выявит трисомию по 21-ой хромосоме

20.Биосинтез белка. Транскрипция, процессинг, трансляция.

Биосинтез белка протекает во все клетки, особенно хорошо идет в молодых клетках.

биосинтез белка протекает в двух стадиях: транскрипции и трансляции.

Транскрипции-это переписывание информации с ДНК матрицы на информационную РНК.

ДНК состоит из генов, каждый ген несет информацию о синтезе одного специфического белка. Все нуклеотиды в ДНК соединяясь по 3, образуют триплеты или кадоны, которые кодируют молекулы ДНК. Во время стадии транскрипции ДНК происходит разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми связями, молекулы ДНК раскручиваются. На участке гена ферментативным путем начинает строиться информационная ДНК.

Трансляция является важной составной частью общего метаболизма клетки и ее сущность заключается в переводе генетической информации с мРНК, являющейся первичным продуктом действия генов, в аминокислотную последовательность белков. Трансляция происходит в цитоплазме на рибосомах и является центральным процессом в синтезе белков, в котором помимо рибосом участвуют мРНК, 3-5 молекул рРНК, 40-60 молекул разных тРНК, аминокислоты, около 20 ферментов (аминоацил-тРНК синтетаз), активирующих аминокислоты, растворимые белки, вовлекаемые в инициацию, элонгацию и терминацию полипептидной цепи.

Трансляция:

1.Активация аминокислот. 2.Инициация, начало синтеза белка. 3.элонгация, удлинение. 4.терминация, окончание синтеза.

Все участвующие в процессе синтеза белка аминокислоты находятся в цитоплазме: метионин, лейцин, серин, лизин.

Процессинг – это процесс образования зрелых молекул рибонуклеиновой кислоты из пре-РНК. Иначе говоря, это совокупность реакций, которые приводят к трансформации первичных продуктов транскрипции (пре-РНК разных типов) в уже функционирующие молекулы.

Что касается процессинга р- и тРНК, он чаще всего сводится к отсечению с концов молекул лишних фрагментов. Если говорить об иРНК, то здесь

можно отметить, что у эукариот данный процесс протекает многоступенчато.

21.ДНК. Строение, свойства, кодовая система.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́(ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

Вклетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одноили двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих … вирусов.

Строение С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула,

состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы (фосфодиэфирные связи). В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

Кодовая система

ВДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК

синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции).

Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам

22.Генетика как наука. Основные понятия генетики: наследственность, изменчивость; аллельные гены, гомо- и гетерозиготы; признаки - доминантные, рецессивные, альтернативные; генотип, фенотип; менделирующие признаки.

ГЕНЕТИКА – наука о наследственности и изменчивости. Наследственность – всеобщее свойство живого в виде способности организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение.

Изменчивость – свойство прямо противоположное наследственности – способность организмов приобретать новые признаки и свойства в процессе индивидуального развития организмов (онтогенеза).

1900 год – год рождения генетики как науки.

«Отцом», основоположником генетики считается чешский естествоиспытатель Грегор Мендель Аллель – одна из двух или более альтернативных форм гена, каждая из

которых характеризуется уникальной последовательностью нуклеотидов. Гетерозигота – клетка (или организм), содержащая два различных аллеля в конкретном локусе гомологичных хромосом.

Гомозигота – клетка (или организм), содержащая два одинаковых аллеля в конкретном локусе гомологичных хромосом.

Доминантные признаки- признак, преобладающий над рецессивным у гетерозигот.

Рецессивный признак- признак, проявляющийся только у гомозигот Альтернативный признак-взаимоисключающий признак Генотип – совокупность всех генов организма, определяющих его фенотип.

Фенотип- Совокупность внешних проявлений признаков одного организма Менделирующие признаки- признаки, наследование которых,

подчиняется закону Менделя.

Выводы из третьего закона Менделя:

Если проводить анализ по каждой паре признаков, то из 16 гибридов второго поколения (F2) желтую окраску семян имеют 12 потомков, а 4 – зеленую. Таким образом, соотношение по окраске семян будет 3:1. Тоже самое наблюдается при наследовании формы семян 12:4 или 3:1. Следовательно, соотношение по фенотипу при анализе по каждой паре признаков соответствует (3:1)2.

Необходимо помнить, что третий закон Менделя выполним при наличии

следующих условий:

1) полное доминирование (гетерозигота фенотипически выглядит так же, как и доминантная гомозигота); расположение генов, отвечающих за разные признаки (окраску и форму

семян), в разных парах гомологичных хромосом. Только так у дигеторозиготы образуется 4 сорта половых клеток в процессе гаметогенеза. Анализирующее скрещивание проводится с целью

установления генотипа исследуемой особи. Для этого исследуемую особь

(?) скрещивают с рецессивной гомозиготой (аа).

Если в F1 наблюдается расщепление 1:1, то исследуемая особь является по генотипу гетерозиготой – Аа.

Если в F1 наблюдается единообразие, то исследуемая особь является по генотипу гомозиготой – АА или аа.

ОПЫТЫ ТОМАСА МОРГАНА

При проведении анализирующего скрещивания самки (F1) из первого поколения с самцом, имевшим рецессивные признаки, теоретически ожидалось получить потомство с комбинациями этих признаков в соотношении 1:1:1:1. Однако в потомстве явно преобладали особи с признаками родительских форм (41,5% – серые длиннокрылые и 41,5% – черные с зачаточными крыльями), и лишь незначительная часть мушек имела иное, чем у родителей, сочетание признаков (8,5% – черные длиннокрылые и 8,5% – серые с зачаточными крыльями). Такие результаты могли быть получены только в том случае, если гены,

Рис. 9. 1 – механизм цис-фазы (некроссоверные гаметы); 2 – механизм транс-фазы (некроссоверные гаметы).

25. Гипотеза чистоты гамет, ее цитологическое обоснование.

Г. Менделю не было известно, где находятся открытые им "наследственные факторы" (гены) и что они собой представляют. В 1910 г. американский биолог Томас Хант Морган (1866-1945) и его последователи создали и обосновали хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, гены расположены в хромосомах, в клеточном ядре. Научная школа Моргана выяснила цитологические основы законов Менделя.

Вкаждой клетке взрослого организма (за исключением половых клеток) имеется двойной набор хромосом. Половина этих хромосом получена от отца, половина – от матери. В половые клетки попадает только одинарный набор хромосом. Это происходит при мейозе.

Цитологические основы выполнения закона расщепления заключаются в том, что в процессе мейоза во время гаметогенеза гомологичные хромосомы, несущие гены исследуемого признака, расходятся в разные половые клетки, унося с собой либо отцовский аллель, либо материнский.

Висходной диплоидной материнской клетке (2n) в первом делении мейоза в дочерние клетки расходятся пары гомологичных хромосом, а во втором – хроматиды. В результате мейоза образуются гаплоидные клетки, несущие по одной копии гена каждой хромосомы.

Рис 5. Первый закон Менделя на языке хромосом.

В конце мейоза образуются четыре клетки, две из которых несут отцовскую копию хромосомы, а две – материнскую (рис. 5). Значит, каждая гамета несёт только одну копию данного гена, то есть может содержать лишь один аллель данного гена. Это положение получило название принципа чистоты гамет. Таким образом, цитологической основой закона расщепления является мейоз, гаплоидность и принцип чистоты гамет, а также случайное объединение наследственного материала в зиготе при оплодотворении.

Сам Г. Мендель на основе анализа своих скрещиваний выдвинул гипотезу о том, что рецессивные задатки не исчезают в гетерозиготном организме, а остаются неизменными и вновь проявляются при встрече с такими же рецессивными задатками в последующих поколениях или в анализирующих скрещиваниях.

Позднее У. Бетсон, исходя из этого феномена, сформулировал правило «чистоты гамет», согласно которому наследственные задатки не смешиваются в гетерозиготном организме и расходятся "чистыми" при образовании гамет (в гамету попадает по одному фактору наследственности (аллелю) каждого типа).

Таким образом, у гибридов (гетерозиготных особей) примерно 50% половых клеток несут только доминантный ген (А), остальные – только рецессивный (а). Встреча и слияние двух половых клеток происходит на основании случайности. Каким же окажется потомство двух таких гибридов? Очевидно, что по теории вероятности половина потомства окажется гетерозиготной (Аа и Аа), а половина – гомозиготной (АА и аа). Но только четверть потомства, несущая гены аа, проявит рецессивный признак. Отсюда и открытое Менделем соотношение "три к одному"

26. Закон Менделя, основанный на дигибридном скрещивании.

Эксперимент расписать.

3 закон – «Закон независимого наследования

Если проводить анализ по каждой паре признаков, то из 16 гибридов второго поколения (F2) желтую окраску семян имеют 12 потомков, а 4 – зеленую. Таким образом, соотношение по окраске семян будет 3:1. Тоже самое наблюдается при наследовании формы семян 12:4 или 3:1. Следовательно, соотношение по фенотипу при анализе по каждой паре признаков соответствует (3:1)2.

Необходимо помнить, что третий закон Менделя выполним при наличии

следующих условий:

2)полное доминирование (гетерозигота фенотипически выглядит так же, как и доминантная гомозигота);

3)расположение генов, отвечающих за разные признаки (окраску и форму семян), в разных парах гомологичных хромосом. Только так у дигеторозиготы образуется 4 сорта половых клеток в процессе гаметогенеза (рис. 4).

дигетерозигота дает 4 сорта гамет

Рис 4. Гаметы дигетерозиготы

27.Хромосомный механизм детерминации признаков пола.

Начало изучению генотипического определения пола было положено открытием американскими цитологами у насекомых различия в форме, а

Уилсон обнаружил, что у клопа Lydaeus turucus самки имеют 14 хромосом (7 пар), как и самцы. Из них 6 пар – одинаковые у обоих полов, а в седьмой паре у самки – две одинаковые хромосомы, а у самца одна хромосома такая же, как соответствующая хромосома самки, а другая маленькая.

Пара хромосом, которые у самца и самки разные, получила название

гетерохромосомы, или половые хромосомы. У самки две одинаковые половые хромосомы, обозначаемые как Х-хромосомы, у самца одна Х- хромосома, другая – Y-хромосома. Остальные хромосомы, одинаковые у самца и у самки, были названы аутосомами.

Таким образом, хромосомная формула у самки названного клопа – 12A + XX, у самца – 12A + XY. В процессе гаметогенеза самка клопа образует один сорт гамет – 7A + X, а самец 2 сорта гамет – 7A + Y или 7A + X. Пол организма с генотипом ХХ называют гомогаметным, так как у него образуются одинаковые гаметы, содержащие только Х-хромосомы, а пол с генотипом XY – гетерогаметным, так как половина гамет содержит Х-, а половина – Y-хромосому.

Сочетание XX–XY (рис. 17) определяет пол млекопитающих, человека и некоторых насекомых (клопы, мушка-дрозофила). При гаметогенезе наблюдается типичное менделевское расщепление по половым

Балансовая теория определения пола

К. Бриджес в 1919 году обнаружил, что у плодовой мушки дрозофилы на проявление пола оказывает влияние соотношение (баланс) между количеством Х-хромосом и набором аутосом, а Y-хромосома на детерминацию пола влияния не оказывает.

У нормальных самок на две Х-хромосомы (2Х) приходится два набора аутосом (2А). Половой индекс в этом случае равен 1 (2Х:2А). У нормальных самцов только одна Х-хромосома. Половой индекс в этом случае равен 0,5 (1Х:2А).

Рис. 20. Самец (а), самка (б) и некоторые ненормальные половые типы дрозофилы: интерсекс (в), сверхсамка (г), сверхсамец (д).

В случае неравномерного распределения генетического материала в кариотипе может оказаться на одну Х-хромосому больше (ХХХ или ХХY), а количество аутосом останется в норме. При наличии 3Х хромосом половой индекс будет равен 1,5 (3Х:2А) и разовьются сверхсамки. При наличии 2Х хромосом и 1Y хромосомы половой индекс будет равен 1

(2Х:2А) и появятся нормальные самки, так как Y-хромосома в этом случае на пол влияния не оказывает.

При неравномерном распределении генетического материала в кариотипе может оказаться нормальное число половых хромосом, а число наборов аутосом будет кратно увеличено. При кариотипе 2Х+3А половой индекс будет равен 0,67 (2Х:3А) и разовьються интерсексы, а при кариотипе ХY+3А половой индекс будет равен 0,33 (1Х:3А) и разовьются сверхсамцы (бесплодны).

Таким образом, следует, что при половом индексе равном 1 развиваются нормальные самки, 0,5 – нормальные самцы, выше 1 – сверхсамки, ниже 0,5 – сверхсамцы, при половом индексе меньше 1, но выше 0,5 – интерсексы (рис. 20).

Генетический пол в популяциях людей

Половые хромосомы (X и Y) являются единственными из 23 хромосом, которые определяют пол организма. Половые клетки, продуцируемые женским организмом, содержат Х-хромосому, тогда как сперматозоиды – X-или Y-хромосому. Остальные 22 пары хромосом предопределяют характеристики организма, не связанные с полом, и поэтому называются аутосомами.

Во время оплодотворения образуется зигота, содержащая 23 пары хромосом. В зиготе, из которой будет развиваться плод женского пола, содержится две Х-хромосомы, т. е. по одной из каждой женской и мужской гаметы. В зиготе, из которой будет развиваться плод мужского пола, содержится Х- и Y-хромосомы (рис. 21). Развитие гонад и гениталий в мужском организме обусловлено Y-хромосомой. При отсутствии в генах эмбриона Y-хромосомы у эмбриона развиваются яичники. Y-хромосома ответственна за начальный половой диморфизм.

Рис. 21. Сингамное определение пола у человека.

У человека генотипический пол определяют, изучая соматические клетки буккального соскоба. Одна Х-хромосома всегда оказывается в активном состоянии и имеет обычный вид. Другая, если она имеется, бывает в покоящемся состоянии в виде плотного темно-окрашенного тельца, называемого тельцем Барра (факультативный гетерохроматин). Число телец Барра всегда на единицу меньше числа наличных Х-хромосом, т.е. в мужском организме (ХУ) в норме их нет вовсе, у женщин (ХХ) – одно (рис.

22).

эпителиальная соматическая клетка женщины (ХХ); Б – соматическая клетка мужчины (ХУ); В – соматическая клетка индивида с тремя Х- хромосомами (ХХХ).

Рис. 22. Тельце Барра или половой хроматин: А –

У человека Y-хромосома является генетически инертной, так как в ней очень мало генов. Однако влияние Y-хромосомы на детерминацию пола у человека очень сильное. Хромосомная формула мужчины 44A+XY и женщины 44A+XX такая же, как и у дрозофилы, однако у человека особь с кариотипом 44A+XО оказывается женщиной, а особь 44A+XXY – мужчиной. В обоих случаях они проявляли дефекты развития, но все же пол определялся наличием или отсутствием Y-хромосомы. Организм с генотипом 47, XXX представляют собой бесплодную женщину, с генотипом 48, XXXY – бесплодного умственно отсталого мужчину. Такие

генотипы возникают в результате нерасхождения половых хромосом, что приводит к нарушению развития (например, синдром Клайнфельтера, XXY). Нерасхождение хромосом случается как в мейозе, так и в митозе. Нерасхождение может быть следствием физического сцепления Х-хромосом, в таком случае нерасхождение имеет место в 100% случаев.

Всем млекопитающим мужского пола, включая человека, свойственен так называемый H-Yантиген, находящийся на поверхности клеток, несущих Y-хромосому. Единственной функцией его считается дифференцировка гонад.

Вторичные половые признаки развиваются под влиянием стероидных гормонов, вырабатываемых гонадами. Развитие мужских вторичных половых признаков контролирует тестостерон, воздействующий на все клетки организма, включая клетки гонад. Мутация всего одного гена Х- хромосомы – гена рецептора андрогенов (AR), кодирующего белокрецептор тестостерона, приводит к синдрому тестикулярной феминизации особей XY (Х-сцепленный рецессивный тип наследования). Клетки-мутанты не чувствительны к действию тестостерона, в результате чего взрослый организм приобретает черты, характерные для женского пола (ложный мужской гермафродитизм, мужской псевдогермафродитизм). При этом внутренние половые органы оказываются недоразвитыми и такие особи полностью стерильные (рис. 23). Таким образом, в определении и дифференцировке пола млекопитающих и человека взаимодействуют хромосомный и генный механизмы.

Рис. 23. Типичный внешний вид полной нечувствительности к андрогенам при синдроме тестикулярной феминизации.

Несмотря на то, что женщины имеют две Х-хромосомы, а мужчины – только одну, экспрессия генов Х-хромосомы происходит на одном и том же уровне у обоих полов. Это объясняется тем, что у женщин в каждой клетке полностью инактивирована одна Х-хромосома (тельце Барра). Х- хромосома инактивируется на ранней стадии эмбрионального развития, соответствующей времени имплантации. При этом в разных клетках отцовская и материнская Х-хромосомы выключаются случайно.

Состояние инактивации данной Х-хромосомы наследуется в ряду клеточных делений. Таким образом, женские особи, гетерозиготные по генам половых хромосом, представляют собой организмы-мозаики (пример, черепаховые кошки (рис. 24)).

Рис. 24. ХbХb – рыжая кошка; ХbУ – рыжий кот; ХBХB – черная кошка; ХBУ – черный кот; ХBХb –

черепаховая (полосатая) кошка.

Таким образом, пол человека представляет собой менделирующий признак, наследуемый по принципу обратного (анализирующего) скрещивания. Гетерозиготой оказывается гетерогаметный пол (XY), который скрещивается с рецессивной гомозиготой, представленной гомогаметным полом (XX). В результате в природе обнаруживается наследственная дифференцировка организмов на мужской и женский пол и устойчивое равенство полов –

50% на 50%.

28.Сцепленное наследование, кроссинговер, определение расстояния между генами на эксперименте с дрозофилами. Группы сцепления, карты хромосом.

Г. Мендель изучил наследование только семи пар признаков у душистого горошка. Его законы подтвердились на самых разных видах организмов, т.

е. было признано, что эти законы носят всеобщий характер. Однако позже, в 1906 году У. Бэтсон и Р. Пеннет, проводя скрещивание растений душистого горошка и анализируя наследование формы пыльцы и окраски цветков, обнаружили, что эти признаки не дают независимого распределения в потомстве, гибриды всегда повторяли признаки родительских форм. Постепенно таких исключений из третьего закона Менделя накапливалось все больше. Стало ясно, что принцип независимого распределения в потомстве и свободного комбинирования распространяется не на все гены.

Независимое комбинирование признаков (третий закон Менделя) осуществляется при условии, что гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах гомологичных хромосом. Следовательно, у каждого организма число генов, способных независимо комбинироваться в мейозе, ограничено числом хромосом. Однако в организме число генов значительно превышает количество хромосом. Например, у кукурузы изучено более 500 генов, у мухи дрозофилы – более 1 тыс., а у человека – около 2 тыс. генов, тогда как хромосом у них 10, 4 и 23 пары соответственно.

Это дало основание предположить, что в каждой хромосоме локализовано множество генов.

Экспериментальные исследования явления сцепленного наследования провел выдающийся американский генетик Т. X. Морган со своими сотрудниками. Сцепленным наследованием называется такой вариант наследования признаков, при котором гены, отвечающие за развитие данных признаков, располагаются в одной хромосоме, составляют группу сцепления (рис.7) и наследуются совместно (сцепленно).

Если Г. Мендель проводил свои опыты на горохе, то для Т. Моргана основным объектом стала плодовая мушка дрозофила.

Дрозофила каждые две недели при температуре 25° С дает многочисленное потомство. Самец и самка внешне хорошо различимы – у самца брюшко меньше и темнее (рис. 8). Они имеют всего 8 хромосом в диплоидном наборе, достаточно легко размножаются в пробирках

Рис. 8. Самка и самец плодовой на недорогой питательной среде

мушки дрозофилы.

.

Томас Морган, как в свое время Грегор Мендель в опытах с горохом, изучал наследование 2 пар признаков: окраска тела и длина крыльев у мушки дрозофилы. Скрещивая мушку дрозофилу с серым телом и нормальными крыльями с мушкой, имеющей темную окраску тела и зачаточные крылья, в первом поколении (F1) Морган получал гибриды, имеющие серое тело и нормальные крылья (ген, определяющий серую окраску брюшка, доминирует над темной окраской, а ген, обусловливающий развитие нормальных крыльев, – над геном недоразвитых).

Следовательно, в F1 Томас Морган получил единообразие гибридов первого поколения, как и Грегор Мендель, но в F2 Томас Морган никогда не получал соотношения 9:3:3:1 как в третьем законе Менделя. Тогда для выяснения генотипов особей первого поколения (F1) он провел анализирующее скрещивание.

Анализирующее скрещивание проводится с целью установления генотипа исследуемой особи. Для этого исследуемую особь (?) скрещивают с рецессивной гомозиготой (аа).

Если в F1 наблюдается расщепление 1:1, то исследуемая особь является по генотипу гетерозиготой – Аа.

Если в F1 наблюдается единообразие, то исследуемая особь является по генотипу гомозиготой – АА или аа.

ОПЫТЫ ТОМАСА МОРГАНА

При проведении анализирующего скрещивания самки (F1) из первого поколения с самцом, имевшим рецессивные признаки, теоретически ожидалось получить потомство с комбинациями этих признаков в соотношении 1:1:1:1. Однако в потомстве явно преобладали особи с признаками родительских форм (41,5% – серые длиннокрылые и 41,5% – черные с зачаточными крыльями), и лишь незначительная часть мушек имела иное, чем у родителей, сочетание признаков (8,5% – черные длиннокрылые и 8,5% – серые с зачаточными крыльями). Такие результаты могли быть получены только в том случае, если гены, отвечающие за окраску тела и форму крыльев, находятся в одной хромосоме.

Если гены окраски тела и формы крыльев локализованы в одной хромосоме, то при данном скрещивании должны были получиться две группы особей, повторяющие признаки родительских форм, так как материнский организм должен образовывать гаметы только двух типов – АВ и аb, а отцовский – один тип – аb. Следовательно, в потомстве должны образовываться две группы особей, имеющих генотип АаВb и ааbb. Однако в потомстве появляются особи (пусть и в незначительном количестве) с перекомбинированными признаками, то есть имеющие генотип Ааbb и ааВb.

друг с другом, чем у самца, поэтому в 17% наблюдается кроссинговер (НЕПОЛНОЕ СЦЕПЛЕНИЕ).

Расстояние между генами измеряется в морганидах – условных единицах, соответствующих проценту кроссоверных гамет или проценту рекомбинантов. Например, расстояние между генами серой окраски тела и длинных крыльев (также черной окраски тела и зачаточных крыльев) у дрозофилы равно 17%, или 17 морганидам.

Способ наследования сцепленных генов отличается от наследования генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом. Так, если при независимом комбинировании дигетерозигота АаВb образует четыре типа гамет (АВ, Аb, аВ и аb) в равных количествах, то такая же дигетерозигота в случае сцепления генов А и В образует только два типа гамет – АВ и аb – тоже в равных количествах. Это некроссоверные гаметы

– гаметы, в процессе образования которых кроссинговер не произошел. Последние повторяют комбинацию генов в хромосоме родителя.

образуются гаметы: Нерекомбинанты – гибридные особи, у которых такое же сочетание признаков, как и у родителей.

Однако полное сцепление генов наблюдается достаточно редко, и в потомстве обычно бывают представлены все четыре фенотипа. Таким образом, и в этом случае при дигибридном скрещивании образуются новые сочетания признаков – рекомбинантные фенотипы. Было установлено, что кроме обычных гамет в этом случае возникают и другие

– Аb и аВ – кроссоверные гаметы, то есть появляются гаметы с новым сочетанием (комбинацией) аллелей, отличающимися от родительской гаметы.

образуются гаметы:

Причиной возникновения новых гамет является обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер. Если особи с новыми генными комбинациями (рекомбинанты – гибридные особи, имеющие иное сочетание признаков, чем у родителей) встречаются в потомстве реже, чем особи с родительскими фенотипами, то это верный признак сцепленности соответствующих генов.

После опытов Томаса Моргана мушка дрозофила стала излюбленным объектом исследования генетиков, потому что:

1)неприхотлива в содержании (легко размножается в лабораторных условиях при температуре 25°Ϲ);

2)выраженный половой диморфизм;

3)очень плодовита (большое число потомков);

4)быстрая смена поколений;

5)только 8 хромосом (небольшое число групп сцепления), но огромное количество альтернативных признаков.

Группа сцепления – гены, локализованные в одной хромосоме и наследующиеся совместно. Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом, поскольку группу сцепления составляют две гомологичные хромосомы, в которых локализованы одинаковые гены.

У человека количество групп сцепления зависит от пола – женский пол – 23 группы сцепления, у мужчин – 24 группы сцепления, поскольку две половые хромосомы (Х и Y) не являются гомологичными и несут различный набор генов.

29.Сцепленное с полом наследование. Примеры расписать.

Наследование, сцепленное с полом – это наследование признака, ген которого находится в половых хромосомах.

Т. Морган и его сотрудники заметили, что наследование окраски глаз у дрозофилы зависит от пола родительских особей, несущих альтернативные аллели. Красная окраска глаз доминирует над белой.

Реципрокное скрещивание (рис. 25) – два скрещивания, которые характеризуются взаимно противоположным сочетанием анализируемого признака и пола у форм, принимающих участие в этом скрещивании. Например, если в первом скрещивании самка имела доминантный признак, а самец – рецессивный, то во втором скрещивании самка должна иметь рецессивный признак, а самец – доминантный. Проводя реципрокное скрещивание, Т. Морган получил следующие результаты.

Рис. 25. Х-сцепленное наследование у дрозофилы.

При скрещивании красноглазого самца с белоглазой самкой в F1 получали равное число красноглазых самок и белоглазых самцов.

При скрещивании этих мух-гибридов F1 между собой были получены красноглазые самки, красноглазые и белоглазые самцы, но не было ни одной белоглазой самки.

Тот факт, что у самцов частота проявления рецессивного признака была выше, чем у самок, наводил на мысль, что рецессивный аллель, определяющий белоглазость, находится в Х-хромосоме, а Y-хромосома лишена гена окраски глаз.

справедливо заключил, что только Х-хромосома несет ген окраски глаз. В Y-хромосоме соответствующего локуса вообще нет. Это явление известно под названием наследования, сцепленного с полом.

Гены, находящиеся в половых хромосомах, называют сцепленными с полом (рис. 26).

В Х-хромосоме имеется участок, для которого в Y-хромосоме нет гомолога. Наследованием, сцепленным с X-хромосомой, называют наследование генов в случае, когда мужской пол гетерогаметен и характеризуется наличием Y-хромосомы (XY), а особи женского пола гомогаметны и имеют две X-хромосомы (XX). У человека около 60 генов наследуются сцепленно с Х-хромосомой, в том числе гемофилия, дальтонизм (цветовая слепота), мышечная дистрофия, потемнение эмали зубов, одна из форм агаммаглобулинемии и другие.

Если аллель сцепленного с полом гена, находящегося в X-хромосоме, является рецессивным, то признак, определяемый этим геном, проявляется у всех особей гетерогаметного пола, которые получили этот аллель вместе с половой хромосомой, и у гомозиготных по этому аллелю особей гомогаметного пола. Это объясняется тем, что вторая половая хромосома (Y-хромосома) у гетерогаметного пола не несет аллелей большинства или всех генов, находящихся в парной хромосоме.

Таким признаком гораздо чаще будут обладать особи гетерогаметного пола, которые являются гемизиготными организмами. Поэтому заболеваниями, которые вызываются рецессивными аллелями, сцепленными с Х-хромосомой, гораздо чаще болеют мужчины, а женщины часто являются носителями таких аллелей.

Наследование таких признаков отклоняется от закономерностей, установленных Г.Менделем. Х-хромосома закономерно переходит от

название крисс-кросс (или крест-накрест).

Рис. 26. Половые хромосомы человека.

Среди рецессивных признаков, сцепленных с Х-хромосомой, известны нарушения цветового зрения, так называемая цветовая слепота. В основе появления этих дефектов зрения лежит действие ряда генов. Краснозеленая слепота обычно называется дальтонизмом. Еще задолго до появления генетики в конце XVIII и в XIX в. было установлено, что цветовая слепота наследуется согласно вполне закономерным правилам. Так, если женщина, страдающая цветовой слепотой, выходит замуж за мужчину с нормальным зрением, то у их детей наблюдается очень своеобразная картина перекрестного наследования. Все дочери от такого брака получат признак отца, т.е. они имеют нормальное зрение, а все сыновья, получая признак матери, страдают цветовой слепотой.

В том же случае, когда наоборот, отец является дальтоником, а мать имеет нормальное зрение, все дети оказываются нормальными. В отдельных браках, где мать и отец обладают нормальным зрением, половина сыновей может оказаться пораженными цветовой слепотой (рис. 27). В основном наличие цветовой слепоты чаще встречается у мужчин.

Рис. 27. Сыновья-дальтоники (25 %) в семье здоровых родителей.

Э.Вильсон объяснил наследование этого признака, предположив, что он локализован в Х-хромосоме и что у человека гетерогаметным (XY) является мужской пол. Становится вполне понятным, что в браке гомозиготной нормальной женщины (ХDХD) с мужчиной дальтоником (ХdY) все дети рождаются нормальными. Однако при этом, все дочери становятся скрытыми носителями дальтонизма, что может проявиться в последующих поколениях.

Другим примером наследования сцепленного с полом, может послужить рецессивный полулетальный ген, вызывающий несвертываемость крови на воздухе – гемофилию (табл. 3). Это заболевание появляется почти исключительно только у мальчиков. При гемофилии нарушается образование фактора VIII, ускоряющего свертывание крови. Ген, детерминирующий синтез фактора VIII, находится в участке Х-хромосомы (доминантный – нормальный; рецессивный – мутантный).

Таблица 3 Рецессивный полулетальный ген, вызывающий гемофилию

Рис. 28. Генеалогическое древо царствовавших семей Европы, иллюстрирующее наследование гена гемофилии, локализованного в X- хромосоме человека

Особей женского пола, гетерозиготных по любому из сцепленных с полом признаков, называют носителями соответствующего рецессивного гена. Они фенотипически нормальны, но половина их гамет несет рецессивный ген.

Несмотря на наличие у отца нормального гена, сыновья матерейносителей с вероятностью 50% будут страдать гемофилией. Один из наиболее хорошо документированных примеров наследования гемофилии – это родословная потомков английской королевы Виктории

(рис. 28).

Предполагают, что ген гемофилии возник в результате мутации у самой королевы Виктории или у одного из ее родителей. Среди унаследовавших это врожденное заболевание – цесаревич Алексей, сын последнего русского царя Николая II. Мать цесаревича, царица Александра Федоровна (Алиса), получила от своей бабушки королевы Виктории ген гемофилии и передала его в четвертом поколении бывшему наследнику царского престола (рис. 29).

Рис. 29. Королева Виктория, царица Александра Федоровна (Алиса), цесаревич Алексей, сын последнего русского царя Николая II.

Один из сцепленных с полом рецессивных генов вызывает особый тип мышечной дистрофии (тип Дюшена). Эта дистрофия проявляется в раннем детстве и постепенно ведет к инвалидности и смерти ранее 20-летнего возраста. Поэтому мужчины с дистрофией Дюшена не имеют потомства, а женщины гетерозиготные по гену этого заболевания, вполне нормальны.

Среди доминантных признаков, сцепленных с Х-хромосомой, можно указать на ген, который вызывает недостаточность органического фосфора в крови. В результате, при наличии этого гена, часто развивается рахит, устойчивый к лечению обычными дозами витамина D. В этом случае картина сцепленного с полом наследования заметно отличается от того хода передачи по поколениям, который был описан для рецессивных болезней. В браках женщин-носительниц со здоровыми мужчинами половина детей больных и половина потомков – здоровые. Здесь, в соответствии с характером наследование доминантного гена, в Х-хромосомах произошло расщепление по генотипу в соотношении

1:1:1:1.

Другим примером доминантного гена, локализованного в Х- хромосоме человека, может послужить ген, вызывающий дефект зубов, приводящий к потемнению эмали зубов.

Большинство генов, имеющихся в Х-хромосоме, в Y-хромосоме отсутствует, однако в этих негомологичных хромосомах есть гомологичные участки. Тогда гены, расположенные в представленных локусах наследуются по аутосомному принципу (например, геморрагический диатез).

передается от отца всем его сыновьям, и только им. Следовательно, для генов, содержащихся только в Y- хромосоме, характерно

голандрическое наследование,

т.е. они передаются от отца к сыну и проявляются только по мужской линии (рис. 30).

Рис. 30. Родословная при голандрическом наследовании.

Кроме того есть гены,

присутствующие только в Y-

хромосоме. Y-хромосома

Y-хромосому называют генетически инертной или генетически пустой, так как в ней очень мало генов. У человека в Y-хромосоме содержатся по крайней мере три гена, один из которых необходим для дифференциации семенников, второй требуется для проявления антигена

гистосовместимости, а третий оказывает влияние на размер зубов. Y- хромосома имеет немного признаков, среди которых есть патологические.

Патологические признаки наследуются по параллельной схеме наследования (100% проявление по мужской линии). К ним относят: 1) облысение; 2) гипертрихоз (оволосенение козелка ушной раковины в зрелом возрасте); 3) наличие перепонок на нижних конечностях; 4) ихтиоз (чешуйчатость и пятнистое утолщение кожи).

НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПОЛОМ

Признаки, выражение или проявление которых различно у представителей разных полов, или проявляющиеся только у одного пола, относятся к ограниченным полом. Они могут определяться генами, расположенными как в аутосомах, так и в половых хромосомах.

Имеется ряд признаков, контролируемых генами, расположенными в аутосомах, однако для проявления этих признаков необходима определенная среда, создаваемая генами, находящимися в половых хромосомах. Например, гены, определяющие мужские признаки, находятся в аутосомах, и их фенотипические эффекты маскируются наличием пары Х-хромосом, в присутствии одной Х-хромосомы мужские признаки проявляются. Такие признаки называются обусловленными или контролируемыми полом.

Появление лысины – аутосомно-доминантный признак, но проявляется практически только у мужчин при наследовании, контролируемом полом. У женщин подавляются гены, детерминирующие рост бороды.

Примером у животных может служить наследование комолости (отсутствие рогов) у овец. У дорсетской породы овец оба пола рогаты. У суффольской породы, напротив, оба пола комолы. При скрещивании овец разных пород в F1 получают рогатых баранов и комолых ярок (самок).

Известно, что многие признаки проявляются у представителей только одного пола (например, способность давать молоко). Однако гены, определяющие этот признак, есть не только у коров, но и у быков. Установить, какова потенциальная способность быка давать высокомолочное потомство, вполне возможно, хотя и косвенным путём. Для этого необходимо получить сведения о молочности его дочерей. Более того, один из самых эффективных способов быстрого повышения удоев состоит в интенсивном отборе быков по их потенциальной молочности.

30.Основные положения хромосомной теории Т. Моргана.

Предположение о том, что гены локализуются в хромосомах, появилось еще в начале ХХ века. Так в 1902-1903 годах американский цитолог У. Сеттон и немецкий цитолог и эмбриолог Т. Бовери независимо друг от друга выявили параллелизм в поведении генов и хромосом в ходе формирования гамет и оплодотворения. Однако экспериментальное доказательство локализации конкретных генов в конкретных хромосомах было получено только в 1910 г. американским генетиком Т. Морганом, который в последующие годы (1911-1926) обосновал хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенной последовательности, локализованы гены. Таким образом, именно хромосомы представляют собой материальную основу наследственности.

Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности:

гены располагаются в хромосомах; различные хромосомы содержат неодинаковое число генов; набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален;

каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме; в идентичных локусах гомологичных хромосом находятся аллельные гены;

гены расположены в хромосомах в определенной линейной последовательности;

гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления; число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида организмов;

сцепление генов может нарушаться в процессе кроссинговера, что приводит к образованию рекомбинантных хромосом; частота кроссинговера зависит от расстояния между генами: чем больше расстояние, тем больше величина кроссинговера;

каждый вид имеет характерный только для него набор хромосом

– кариотип.

неполностью подавляет проявление рецессивного аллеля. В результате имеет место промежуточный характер наследования (гетерозигота имеет промежуточный фенотип).

Рис. 33. Неполное доминирование.

У гибридов F2 расщепление по генотипу и фенотипу совпадают – 1:2:1.

Другим примером неполного доминирования служит серповидноклеточная анемия – наследственная гемоглобинопатия, связанная с таким нарушением строения белка гемоглобина, при котором он приобретает особое кристаллическое строение – так называемый гемоглобин S. Эритроциты, несущие гемоглобин S вместо нормального гемоглобина А, под микроскопом имеют характерную форму серпа (рис. 34), за что эта форма гемоглобинопатии и получила название серповидноклеточной анемии.

Эритроциты, несущие гемоглобин S, обладают пониженной стойкостью и пониженной кислород-транспортирующей способностью, поэтому у больных с серповидноклеточной анемией повышено разрушение эритроцитов в селезенке, укорочен срок их жизни, повышен гемолиз и часто имеются признаки хронической гипоксии.

Серповидноклеточная анемия наследуется по аутосомно-рецессивному типу. У больных, гетерозиготных по гену серповидно-клеточной анемии (Аа), наряду с серповидными эритроцитами, несущими гемоглобин S, в крови наличествуют и нормальные, несущие гемоглобин А. При этом болезнь менее выражена клинически, протекает легче, а иногда вообще не вызывает симптомов, и серповидные эритроциты выявляются случайно при лабораторном исследовании крови. У гомозигот (аа) по гену

серповидноклеточной анемии в крови имеются только серповидные эритроциты, несущие гемоглобин S, болезнь протекает тяжело и заканчивается летальным исходом.

Рис. 34. Строение эритроцитов при серповидноклеточной анемии.

Серповидноклеточная анемия весьма распространена в регионах мира, эндемичных по малярии, причем больные серповидноклеточной анемией обладают повышенной (хотя и не абсолютной) врожденной устойчивостью к заражению различными штаммами малярийного плазмодия (рис.

35).

Рис. 35. Распространенность серповидноклеточной анемии и малярии.

3.Сверхдоминирование (рис. 36)

– вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотипическое выражение признака у гетерозиготы (Аа) намного ярче, чем у доминантной гомозиготы (АА). Этот вид взаимодействия генов лежит в основе гетерозиса.

4. Аллельное исключение (рис. 37) – вид взаимодействия аллельных генов, при котором в части соматических клеток организма, гетерозиготного по данному локусу, активен один аллель, тогда как в

других клетках другой. Такой вид взаимодействия аллельных генов наблюдается при наследовании признаков у организмов-мозаиков.

Рис. 37. Аллельное исключение.

5. Кодоминирование – вид взаимодействия аллельных генов, при котором у гетерозиготы отсутствуют доминантно-рецессивные отношения, аллели фенотипически проявляют себя как бы независимо друг от друга.

32.Специфика проявления генов в признак - экспрессивность, пенетрантность, плейотропия, генокопии.

Плейотропия – множественное действие гена (один ген контролирует развитие нескольких признаков).

Часто наблюдается явление, когда одна пара генов влияет сразу на несколько признаков. Еще Мендель в своих опытах установил, что растения гороха, имеющие пурпуровые цветки, кроме того всегда имеют красные пятна в пазухах листьев и образуют семена, покрытые серой или бурой кожурой, и что все эти признаки зависят от действия одного наследственного фактора.

При изучении генетических особенностей персидской пшеницы Н.И.Вавилов установил, что доминантный ген черной окраски всегда одновременно вызывает и сильное опушение чешуй.

Уплодовой мушки дрозофилы ген, определяющий отсутствие пигмента в глазах, снижает плодовитость, влияет на окраску некоторых внутренних органов и уменьшает продолжительность жизни.

Укаракульских овец одним геном определяются цвет шерсти и развитие рубца.

Плейотропное действие гена может быть первичным и вторичным (рис.

56).

Рис. 56. Виды плейотропии.

При первичной плейотропии ген проявляет свой множественный эффект. Например, при болезни Хартнупа мутация гена приводит к нарушению всасывания аминокислоты триптофана в кишечнике и его реабсорбции в почечных канальцах. При этом поражаются одновременно мембраны эпителиальных клеток кишечника и почечных канальцев с расстройствами пищеварительной и выделительной систем.

Рис. 57. Синдром Марфана.

У человека известен доминантный ген, определяющий признак "паучьи пальцы" (синдром Марфана). Одновременно ненормальное развитие пальцев сопровождается нарушением строения хрусталика и развитием порока сердца (рис. 57). Здесь в основе множественного эффекта тоже лежит действие одного гена, вызывающего нарушение развития соединительной ткани.

При вторичной плейотропии есть один первичный фенотипический признак – проявление мутантного гена, вслед за которым развивается ступенчатый процесс вторичных изменений, приводящих к множественным эффектам. Так, при серповидноклеточной анемии у гомозигот наблюдается несколько патологических признаков: анемия, увеличенная селезенка, поражение кожи, сердца, почек и мозга. Поэтому гомозиготы с геном серповидноклеточной анемии гибнут, как правило, в детском возрасте. Все эти фенотипические проявления гена составляют иерархию вторичных проявлений. Первопричиной, непосредственным фенотипическим признаком проявлением дефектного гена является аномальный гемоглобин и эритроциты серповидной формы. Вследствие этого происходят последовательно другие патологические процессы: слипание и разрушение эритроцитов, анемия, дефекты в почках, сердце, мозге – эти патологические признаки вторичны.

При плейотропии, ген, воздействуя на какой-то один основной признак, может также менять, модифицировать проявление других генов, в связи с чем введено понятие о генах-модификаторах. Последние усиливают или ослабляют развитие признаков, кодируемых "основным" геном.

Модифицирующее действие гена – ген усиливает или ослабляет действие неаллельного гена. Существуют гены "основного действия", т.е. такие, которые определяют развитие признака или свойства, например выработку пигмента, форму плода, чувствительность или устойчивость к заболеваниям и т.д. Наряду с такими генами, по-видимому, существуют гены, которые сами по себе не определяют какую-либо качественную реакцию или признак, они лишь усиливают или ослабляют проявление действия "основного" гена, т.е. модифицируют его, – такие гены получили название модификаторов. Любые взаимодействующие гены в одно и то же время являются генами "основного" действия по одному признаку, а по другому (или другим) являются генами-модификаторами.

Показателями зависимости функционирования наследственных задатков от характеристик генотипа является пенетрантность и экспрессивность. Рассматривая действие генов, их аллелей необходимо учитывать и модифицирующее влияние среды, в которой развивается организм. Если растения примулы скрещивать при температуре 15-20 °С, то в F1 согласно менделевской схеме, все поколения будут иметь розовые цветы. Но когда такое скрещивание проводить при температуре 35 °С, то все гибриды будут иметь цветы белого цвета. Если же осуществлять скрещивания при температуре около 30 °С, то возникает разное соотношение (от 3:1 до 100%) растений с белыми цветами.

Такое колебание классов при расщеплении в зависимости от условий среды получило название пенетрантность – сила фенотипического проявления. Итак, пенетрантность – это частота проявления гена, явление появления или отсутствия признака у организмов, одинаковых по генотипу.

Пенетрантность значительно колеблется как среди доминантных, так и среди рецессивных генов. Наряду с генами, фенотип которых появляется только при сочетании определенных условий и достаточно редких внешних условий (высокая пенетрантность), у человека есть гены, фенотипическое проявление которых происходит при любых соединениях внешних условий (низкая пенетрантность). Пенетрантность измеряется процентом (%) организмов с фенотипическим признаком от общего количества обследованных носителей соответствующих аллелей.

Если ген полностью, независимо от окружающей среды, определяет фенотипическое проявление, то он имеет пенетрантность 100 % (полная пенетрантность). Однако, некоторые доминантные гены проявляются менее регулярно. Так, полидактилия имеет четкое вертикальное наследования, но бывают пропуски поколений. Доминантная аномалия – преждевременное половое созревание – присуще только мужчинам, однако иногда заболевание может передаться от человека, который не страдал этой патологией. Пенетрантность указывает, в каком проценте носителей гена оказывается соответствующий фенотип. Итак, пенетрантность зависит от генов, от среды, от того и другого. Таким образом, это не константное свойство гена, а функция генов в конкретных условиях среды.

Экспрессивность (лат. “ехргеssio” – выражение) – это изменение количественного проявления признака в разных особях-носителях соответствующего аллеля.

При доминантных наследственных заболеваниях экспрессивность может колебаться. В одной и той же семье могут проявляться наследственные болезни от легких, едва заметных до тяжелых: различные формы гипертонии, шизофрении, сахарного диабета и т.д. Рецессивные наследственные заболевания в пределах семьи проявляются однотипно и имеют незначительные колебания экспрессивности.

Таким образом, пенетрантность – это вероятность фенотипического проявления гена, которая выражается в процентах (отношение больных особей к числу носителей соответствующего гена).

Экспрессивность – степень клинического проявления гена, которая может быть слабой или сильной. Пенетрантность и экспрессивность генов зависят от эндогенных и экзогенных факторов. Например, если для

проявления гемофилии решающее значение имеет нарушение в геноме, то возникновение сахарного диабета зависит от взаимодействия генетических факторов и внешней среды. В последнем случае говорят о наследственном предрасположении. Способность генотипа по-разному проявляться в различных условиях среды называется нормой реакции. Норма реакции наследуется, а изменения в пределах нормы реакции не наследуются.

Ряд сходных по внешнему проявлению признаков, в том числе и наследственных болезней, может вызываться различными неаллельными генами. Такое явление называется генокопией. Биологическая природа генокопий заключается в том, что синтез одинаковых веществ в клетке в ряде случаев достигается различными путями.

Одним из первых это явление изучал Н.В.Тимофеев-Ресовский. По предложению Н.В.Тимофеева-Ресовского, с середины 1930-х годов гетерогенными группами стали называть группы генов, дающих весьма сходное внешнее проявление, но локализованных в разных хромосомах или разных локусах, как, например, группа генов minute, обусловливающих редукцию щетинок у дрозофилы. Это явление широко распространено в живой природе, включая человека. Правда, в генетической литературе для его обозначения обычно используют не термин Н.В. Тимофеева-Ресовского «гетерогенные группы», а более поздний (середины 40-х годов XX века), предложенный немецким генетиком X.Нахтсхаймом – «генокопии», в дополнение к которому позже был введен термин «фенокопии».

Внаследственной патологии человека большую роль играют также фенокопии – модификационные изменения. Они обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа. Таким образом, фенокопия

– ненаследственное изменение фенотипа организма, вызванное действием определённых условий среды и копирующее проявление какого-либо известного наследственного изменения – мутации – у этого организма.

Вразвитии фенокопий могут играть роль разнообразные факторы среды

– климатические, физические, химические, биологические и социальные. Врожденные инфекции (краснуха, токсоплазмоз, сифилис) также могут стать причиной фенокопий ряда наследственных болезней и пороков развития. Существование гено- и фенокопий нередко затрудняет постановку диагноза, поэтому существование их врач всегда должен иметь в виду.

F1 :

Рис. 38. Наследование IV группы крови.

У людей с генотипом ii на поверхности эритроцитов нет антигенов А и В, а в плазме крови присутствуют гемагглютинины α и β.

Агглютинин α специфически связывается и осаждает эритроциты с антигеном А, агглютинин β – эритроциты с антигеном В. На этих взаимоотношениях основана система переливания крови. Долгие годы придерживались так называемого закона Отенберга, согласно которому агглютинируют только эритроциты перелитой донорской крови (а не эритроциты реципиента), учитывая, что агглютинины донорской крови разводятся в крови реципиента и не способны агглютинировать его эритроциты. Это обстоятельство разрешало переливать наравне с одногруппной и кровь другой группы, сыворотка которой не

Рис. 39. Схема переливания крови с учетом группы крови.

6. Множественный аллелизм – присутствие в генофонде популяции

аллеля.

Ген А отвечает за наследование темной окраски шерсти и доминируют над всеми другими аллелями. Ген ach обуславливает шиншилловую окраску и по отношению к генам ah и a ведет себя как доминантный. Ген ah отвечает за гималайскую окраску шерсти и доминирует над геном a (белая окраска). Таким образом, А > ach > ah > a (табл. 5).

Таблица 5

Генотипы и фенотипы кроликов

Причиной множественного аллелизма являются случайные изменения структуры гена (мутации), сохраняемые в процессе естественного отбора в генофонде популяции.

Многообразие аллелей, рекомбинирующихся при половом размножении, определяет степень генотипического разнообразия среди представителей данного вида, что имеет большое эволюционное значение, повышая жизнеспособность популяций в меняющихся условиях их существования. Кроме эволюционного и экологического значения аллельное состояние генов оказывает большое влияние на функционирование генетического материала. В диплоидных соматических клетках эукариотических организмов большинство генов представлено двумя аллелями, которые совместно влияют на формирование признаков.

34. Взаимодействие неаллельных генов - комплементарность, эпистаз,

полимерия. Примеры.

Неаллельные гены – это гены, расположенные в различных участках хромосом и кодирующие неодинаковые белки.

Неаллельные гены также могут взаимодействовать между собой. При этом один признак проявляется под действием совокупности нескольких генов. Выделяют несколько форм взаимодействия неаллельных генов:

1)комплементарность;

2)эпистаз;

3)полимерия;

4)эффект положения.

КОМПЛЕМЕНТАРНОЕ ДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ – это вид взаимодействия неаллельных генов по принципу дополнения или комбинирования, когда доминантные аллели этих генов при совместном сочетании в генотипе обусловливают новое фенотипическое проявление признаков.

Взаимодействие аллелей с новообразованием – межаллельная комплементация. В некоторых случаях при объединении в гибриде разных аллелей независимого происхождения, рецессивных по отношению к дикому типу, наблюдают восстановления нормы, т.е. признака дикого типа. Разные рецессивные аллели одного и того же гена

отличаются друг от друга тем, что кодируют пептиды с повреждением разных доменов. Если в гетерозиготе (компаунде) объединятся аллели с разными повреждениями таким образом, что в молекуле фермента, состоящей из субъединиц-продуктов одного и того же гена, соберутся все необходимые функциональные центры, то ферментативная активность будет восстановлена.

КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ (расщепление по фенотипу)

9: 7

9: 3: 4 F2 : 9: 6: 1

9: 3: 3: 1

Комплементарность (взаимодополняющий эффект)

Явление, когда признак развивается при взаимодополняющем действии доминантных неаллельных генов. По типу комплементарности взаимодействуют гены, контролирующие разные этапы одного и того же метаболического пути. Впервые такой тип взаимодействия генов был описан Бетсоном и Пеннетом при анализе наследования окраски венчика у душистого горошка. При скрещивании растений душистого горошка с белыми цветами в первом поколении все растения имели пурпурные цветы (как у дикого вида душистого горошка) формы, а во втором поколении наблюдалось расщеплении в соотношении 9

пурпурные : 7 белые.

Для объяснения полученного результаты было сделано предположение, что синтез пурпурного пигмента контролируют два неаллельных доминантных гена, продукты которых задействованы на разных этапах метаболического пути. Мутация любого из этой пары гена прерывает процесс синтеза пигмента. Взятые для скрещивания растения в своем генотипе имели мутации разных комплементарных генов.

Условные обозначения:

А – отвечает за синтез пропигмента – бесцветного предшественника пигмента; а – не происходит синтеза пропигмента; В – определяет синтез

F1: АаВb – 100% пурпурные венчики

F2: 9/16 – пурпурные (А•В•) : 7/16 белые ( 3/16 – А•bb, 3/16 – ааВ•; 1/16 – ааbb).

Вторым примером взаимодополняющего действия может служить наследование окраски шерсти у мышей (рис. 41), когда при скрещивании чистопородных линий черных и белых мышей, все гибриды первого поколения (F1) имеют серую окраску шерсти

(комплементарная), а в F2

наблюдается расщепление по фенотипу 9 серые : 3 черные : 4 белые.

Рис. 41. Наследование окраски шерсти у мышей.

При этом первая пара аллельных генов отвечает за синтез пигмента (С – синтез пигмента; с – отсутствие пигмента (альбинизм)), вторая пара генов

– за распределение пигмента по длине волоса (А – зональное распределение пигмента; а – не определяет зонального распределения пигмента).

Формула дигибридного расщепления по фенотипу:

Третьим примером взаимодополняющего действия является наследование формы плода у тыквы (рис.42). В результате комплементарного взаимодействия генов в F2 наблюдается соотношение

9: 6: 1.

Рис. 42. Генотипы: А•bb – округлая форма; ааВ• – округлая форма;

А•В• – дисковидная форма (комплементарная); ааbb – удлиненная форма.

Комплементарность (комбинативное взаимодействие)

Один из первых примеров взаимодействия неаллельных генов был обнаружен в начале XX в. при анализе наследования формы гребня у кур. Описано четыре разновидности форм гребней, при этом разные породы имеют характерную морфологию гребня (рис. 43):

Рис. 43. Разновидности форм гребней у разных пород кур.

леггорны – листовидный (простой гребень),

виандотты – розовидный (низкий, утолщенный спереди, заостренный сзади и у основания покрытый сосочками),

европейские – гороховидный (невысокий, с тремя продольными пластинками),

малайские – ореховидный, напоминающий поверхность половинки грецкого ореха.

В результате скрещиваний кур, имеющих розовидный и гороховидный гребни, в F1 возникает новая форма гребня – ореховидный (из-за взаимодействия генов A и B).