Важнейшими функциями ядра являются следующие.

Основы генетики

1 За неполных 100 лет после переоткрытия законов Г. Менделя генетика прошла путь от философского понимания законов наследственности и изменчивости через экспериментальное накопление фактов формальной генетики к молекулярно-биологическому пониманию сущности гена, его структуры и функции. От теоретических построений о гене как абстрактной единице наследственности - к пониманию его материальной природы как фрагмента молекулы ДНК, кодирующего аминокислотную структуру белка, до клонирования индивидуальных генов, создания подробных генетических карт человека, животных, идентификации генов, мутации которых сопряжены с тяжелыми наследственными недугами, разработки методов биотехнологии и генной инженерии, позволяющих направленно получать организмы с заданными наследственными признаками, а также проводить направленную коррекцию мутантных генов человека, то есть генотерапию наследственных заболеваний.

Генетика — это наука, изучающая основные закономерности наследственности и изменчивости. Она раскрывает сущность того, каким образом каждая живая форма воспроизводит себя в следующем поколении, и как в этих условиях возникают наследственные изменения, которые передаются потомкам, участвуя в процессах эволюции и селекции. Современная генетика является сплавом классической и молекулярной генетики.

Наследственность - это свойство организма передавать свои признаки и особенности потомству. Сохраняются и передаются не сами признаки, а генетическая информация о признаках, закодированная в ДНК. Молекулы ДНК с большей точностью реплицируются (удваиваются) и передаются родителями потомству, сменяя миллионы поколений.

Изменчивость — это свойство (способность) живых организмов отличаться от своих родителей и приобретать новые признаки и свойства.

2 Генетика человека изучает закономерности хранения, передачи и реализации генетической информации (гены, строение, функции), механизм возникновения закономерности передачи изменений, их проявление и последствия. Редупликация молекул ДНК является основой наследственности. Наследственность объясняет сохранение видов во времени и пространстве. Кроме этого молекуле ДНК присуща способность к рекомбинации, в процессе которой изменяется последовательность нуклеотидов в генах, и в результате чего образуются новые комбинации генов и соответствующих признаков. Происходят изменения генетической информации и под влиянием факторов окружающей среды. Многочисленные сигналы внешней и внутренней среды поступают к генам, регулируют их активность, осуществляя ответ организма на воздействия сигналов. Возникновение новых признаков у потомства обеспечивает адаптацию особей к меняющимся условиям жизни, передачу этих признаков потомству т.е. развитие вида во времени, его эволюцию.

3 Медицинская генетика изучает роль наследственности и изменчивости с точки зрения патологии человека, закономерности передачи от поколения поколению наследственных болезней, а также разрабатывает методы диагностики, лечения и профилактики наследственной патологии, в том числе и болезней с наследственной предрасположенностью, объединяя, таким образом, медицинские и генетические открытия и достижения для борьбы с болезнями. Медицинская генетика, являясь важнейшей частью теоретической медицины, выясняет значение наследственных (сочетание генов, мутаций) и средовых факторов, а также их соотношения в этиологии болезней. Как теоретическая и клиническая дисциплина медицинская генетика продолжает интенсивно развиваться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая генетика.

4 Генетика как наука является достаточно молодой. Она родилась в 1900 году. Вся история генетики делится на несколько этапов:

• Доменделевский (до 1865 года)
• До переоткрытия законов Менделя (1865-1900)

Г. Мендель проводил опыты с горохом и проанализировав результаты он обнаружил специфические особенности распределения признаков родительских особей в их потомстве.Свои выводы он представил в статье «Опыты над растительными гибридами». Однако эти исследования остались незамеченными до момента их переоткрытия, что произошло в 1900 г тремя ботаниками независимо друг от друга Г. Де Фриз, К. Корренс, Э.Фон Чермак.

• Этап классической генетики (1900-1953)
• Современный этап (этап молекулярной генетики, с 1953)

Современный этап связан с изменением модельных объектов — микроорганизмы, т. к. например бактерии гаплоидны и у них функционируют все гены. Активно применяются методы точных наук: рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, метод меченых радиоизотопов и т. п.

История генетики человека начинается в 1752 г когда врачП.Монертьюи описал наследование 2х болезней: шестипалости и альбинизма, и доказал, что эти признаки передаются и от отца и от матери, т. е. Они равнозначны. В 1815 г врач Дж.Адамс предложил все заболевания человека, которые передаются по наследству разделить на 2 группы:

• наследственные — те которые непосредственно передаются от родителя к ребенку (доминантные)
• семейные — у здоровых рождается больной ребенок, но эта болезнь встречается у других членов семьи (рецессивные)

Адамс впервые предостерег от опасности близкородственных браков.

В 1820 г Нассеописал наследование гемофилии генов: болеют как правило мальчики, а носители — их мамы.

В 1876 г Горнер показал, что дальтонизм похож по передаче потомству на гемофилию.

Большой вклад внес ФрГальтон, который предложил методы изучения генетики генов (генеалогический, близнецовый и статистический) и ввел в биологию понятия регресс и евгеника — облагораживание человеческого вида путем поддержки воспроизводства людей, обладающих желаемыми качествами и препятствование воспроизводству больных, умственно отсталых и калек..

В 1900 г К.Ландштайнер описал группы крови по системе А,В,0 на 4 группы крови. А в 1924 г Бернштейн описал наследование групп крови по системе А,В,0, которое наследуется по принципу множественного аллелизма.

В 1902 гА.Гаррод описал наследование рецессивного заболевания алкаптонурии.

В 1903 г Фараби описал первое доминантное заболевание брахидактилия (короткопалость).

В 20-30е годы 20 века развитие генетики человека в Советской России занимало ведущие позиции в мире. Большой вклад внесли: Н.Н. Кольцов, Ю.А. Филипченко (изменчивость, гены-модификаторы), А.С. Серебровский, С.С.Четвериков, С.Н. Давиденков (наследственность многих заболеваний).

В 1953 г изучение генетики человека перешло на молекулярный уровень и в конце 20 века началась расшифровка генома человека . В 2005 году геном полностью расшифрован.

Изучение генетики человека показало, что человек — неудобный объект:

«+» - позволяет рассказать о признаках и болезнях родственников;

«-» - малочисленное потомство, невозможность направленных скрещиваний, невозможность экспериментального применения мутагенов, позднее половое созревание, отсутствие подробных родословных, отсутствие точной регистрации наследственных признаков, большое число мелких хромосом (46) трудноразличимых, невозможность обеспечения одинаковых условий для развития потомков от разных браков.

5 В настоящее время одним из основных методов профилактики наследственной и врожденной патологии является медико-генетическое консультирование, которое дает возможность пациенту и его семье получить необходимые сведения о способах предупреждения заболевания, его течении, вероятности повторения его у потомков. Первая медико-генетическая консультация была организована в 1929 г в Институте нервно-психической профилактики в Ленинграде профессором С.Н. Даавиденковым для больных с заболеваниями нервной системы. Зарубежные учреждения подобного типа были открыты в 40-х годах 20 века. В 1950 г Ш.Рид опубликовал первое краткое руководство по генетическому консультированию.

Изучение генома человека на молекулярном уровне позволило проводить диагностику наследственных заболеваний, в т.ч. И у плода во время беременности. Огромное значение имеет ДНК-диагностика опухолей и заболеваний с наследственной предрасположенностью до начала их клинических проявлений.

В последние годы 20 века началась разработка методов генотерапии — лечение с помощью генов и продуктов их работы. Надежды, возлагаемые на генотерапию обусловлены её направленным воздействием на причину патологических изменений и следовательно высокой эффективностью коррекции этих изменений.

В настоящее время проводится работа по созданию «генетического паспорта» человека, который будет индивидуален для каждого человека. Паспорт будет содержать информацию о генах, определяющих предрасположенность к различным заболеваниям.

5 Современная генетика стремительно развивается и ощутимо влияет на медицину. Генетика прошла несколько этапов, в результате чего появились современные классические знания о генетических основах живого организма, Генетику можно считать теоретическим фундаментом современной медицинской науки. Понимание наследования и возможных изменений как нормальных, так и патологических признаков человека необходимо при изучении физиологии, гистологии, биохимии, педиатрии, терапии, хирургии, неврологии, дерматовенерологии, офтальмологии, отоларингологии, патофизиологии и других клинических дисциплин для исследования этиологии, патогенеза, влияния на передачу наследственных признаков факторов внешней среды, продуктов питания, лекарственных препаратов.

Л 2 Цитологические основы наследственности.

1 Все живые организмы состоят из клеток. Некоторые — всего лишь из одной клетки (многие бактерии и протисты), другие являются многоклеточными.

Клетка — элементарная структурная и функциональная единица организма, обладающая всеми основными признаками живого. Клетки способны размножаться, расти, обмениваться веществами и энергией с окружающей средой, реагировать на изменения, происходящие в этой среде. В каждой клетке живого организма содержится наследственный материал, в котором заключена информация обо всех признаках и свойствах данного организма.

Для того чтобы понять, как существует и работает живой организм, необходимо знать, как организованы и функционируют клетки. Многие процессы, присущие организму в целом, протекают в каждой его клетке (например, синтез органических веществ, дыхание и др.).

В настоящее время все клетки делят на прокариотические и эукариотические.

Изучением строения клетки и принципов ее жизнедеятельности занимается цитология(от греч. китос — клетка, ячейка, логос — учение, наука).

Клетки живых организмов могут различаться

• по форме
• размеру
• выполняемым функциям, но при этом все клетки имеют определенный план строения.

Клетка состоит из трех основных частей: поверхностного аппарата, цитоплазмы и ядра (у эукариот).

1. Поверхностный аппаратобразован цитоплазматической мембраной (плазмолемма) и надмембранным комплексом. Поверхностный аппарат ограничивает внутреннее содержимое клеток, защищает его от внешних воздействий, осуществляет обмен веществ между клеткой и внеклеточной средой. Надмембранный комплекс клеток растений, грибов и многих протистов представлен плотной, часто многослойной, разнообразной по строению клеточной стенкой (оболочкой). Клетки животных покрыты только цитоплазматической мембраной. Клеточная мембрана имеет жидкостно-мозаичную структуру.
2. Цитоплазма(от греч. китос — клетка, ячейка, плазма — оформленный) включает внутреннюю среду клеток — гиалоплазму — и погруженные в нее цитоскелет, органоиды и включения. Цитоскелет (внутриклеточный скелет) — это система микротрубочек и микрофиламентов (микронитей). Он выполняет опорную функцию и обеспечивает внутриклеточные движения. Органоиды — постоянные структуры цитоплазмы, имеющие разное строение и выполняющие различные функции. Органоиды можно разделить на две группы: мембранные и немембранные. Мембранные органоиды также представлены двумя типами — двумембранными и одномембранными. К двумембранным органоидам относятся митохондрии и пластиды. Одномембранными органоидами являются эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы и вакуоли. К немембранным органоидам относятся рибосомы и клеточный центр. Включения — непостоянные внутриклеточные образования. Они могут появляться в процессе жизнедеятельности, исчезать и вновь образовываться. Включения в основном представляют собой запасные вещества или конечные продукты обмена веществ клетки. Это могут быть, например, липидные капли, гранулы (зерна) крахмала или гликогена, кристаллы солей.
3. Ядро— важнейшая структура клеток эукариот, имеющая двумембранное строение. В нем содержится ДНК, которая является носителем наследственной информации. Ядро обеспечивает хранение и реализацию наследственной информации, а также ее передачу дочерним клеткам.

Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено 86 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Они образуют два класса соединений – органическиеи неорганические. К неорганическим веществам клетки относятся вода (75-85%), и минеральные вещества (1-1,5%). Органические вещества клетки представлены белками (10-20%), жирами (1-5%), углеводами (0,2-2%), нуклеиновыми кислотами (1-2%). % от сырой массы клеток.

2 Ядро — важнейшая структура клеток всех эукариот. Большинство клеток имеет одно ядро. Изредка встречаются двуядерные (инфузория туфелька — опыт Вильсона с макро- и микронуклеусом. Оставался макро- существовала но не делилась, оставался микро- восстанавливала макронуклеус и существовала как нормальная инфузория, без ядра оставалась — отмирала.) и многоядерные клетки (некоторые протисты, клетки грибов, поперечнополосатые мышечные волокна). Некоторые клетки в зрелом состоянии не имеют ядра, например эритроциты млекопитающих, клетки ситовидных трубок цветковых растений. Такие клетки не способны к размножению.

Обычно ядро имеет шаровидную форму, но может быть линзовидным, веретеновидным и даже многолопастным (в клетках зернистых лейкоцитов). В животной клетке ядро обычно расположено в центре, а в растительной, как правило, находится на периферии клетки (центральную часть часто занимает вакуоль).

Строение и функции ядра. Общий план строения ядра одинаков у всех клеток эукариот. Оно состоит из ядерной мембраны, ядерного сока, хроматина и ядрышка (одного или нескольких).

От цитоплазмы содержимое ядра отделено ядерной мембраной (кариотека),состоящей из двух мембран. Наружная мембрана граничит с цитоплазмой клетки, в некоторых местах она переходит в каналы эндоплазматической сети. К наружной мембране ядра прикрепляются рибосомы. Внутренняя мембрана, контактирующая с ядерным соком, гладкая. Ядерная оболочка пронизана множеством пор, через которые из ядра в цитоплазму выходят субъединицы рибосом, молекулы иРНК и тРНК, а в ядро из цитоплазмы поступают различные белки (в том числе ферменты), нуклеотиды, АТФ, ионы и т. д. Наибольшее число пор у яйцеклетки, наименьшее у сперматозоида (0).

Ядерный сок (кариоплазма)имеет гелеобразную консистенцию, в его состав входят различные органические и неорганические вещества. Ядерный сок имеет слабощелочную реакцию. В ядерном соке располагаются хроматин и ядрышки.

Хроматинпод микроскопом имеет вид тонких тяжей, мелких гранул или глыбок. Основу хроматина составляют молекулы ДНК, соединенные со специфическими белками-гистонами. В состав хроматина входят также молекулы РНК, синтез которых осуществляется на ДНК. В виде длинных нитей — активно работает, в виде глобул — не работает.

Ядрышки— плотные, округлые, не ограниченные мембраной участки ядра. Здесь происходит синтез рРНК и объединение их с молекулами белков, что приводит к образованию субъединиц рибосом. Таким образом, ядрышко представляет собой место синтеза рРНК и сборки отдельных субъединиц рибосом. В начале деления клетки ядрышки разрушаются, а в конце деления формируются вновь в определенных участках хромосом.

Важнейшими функциями ядра являются следующие.

1. Хранение наследственной информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления. Как вы знаете, наследственная информация закодирована в молекулах ДНК

2. Управление процессами жизнедеятельности клетки.

3 Хромосомы. В начале деления клетки хроматин уплотняется, образуя компактные структуры — хромосомы.Специальные ядерные белки при этом обеспечивают правильную укладку (спирализацию) молекулы ДНК, в результате чего ее длина во много раз уменьшается. Хромосомы очень динамичны и способны изменять свою структуру и форму на протяжении клеточного цикла. Наиболее удобная стадия изучения — метафаза.

Сестринские хроматиды соединены друг с другом в области центромеры (первичной перетяжки). Центромера делит хромосому на два п л е ч а. Хромосомы с равными или почти равными плечами называются равноплечими (метацентрические) — не более чем в 1,9 раз, с плечами неодинаковой длины — неравноплечими (2-4,9 раза) и резконеравноплечими (5-7,9 раз) (субметацентрические и акроцентрические) и одноплечие (телоцентрические) — более чем в 8 раз.

При изучении хромосом применяют методику дифференцированного окрашивания. При этом наблюдается поперечная исчерченность хромосом. Такая дифференциация связана с локализацией в хромосоме гетеро- (темные) и эухроматина (светлые). Гетеро — ДНК в наибольшей степени спирализована, эу — слабая степень спирализации, следовательно в этих участках располагаются активные работающие гены. Гетеро- бывает двух видов: конститутивный ( никогда не переходит в эу-) и факультативный (может переходить в эу- на некоторых этапах жизни клетки).

У живых организмов различают половыеи соматическиеклетки. Набор хромосом, содержащийся в половых клетках (гаметах), называют гаплоидным набороми обозначают буквой n. Например, сперматозоиды и яйцеклетки человека содержат по 23 хромосомы (n = 23). В гаплоидном наборе каждая хромосома уникальна: невозможно найти две хромосомы, одинаковые по строению (форме, размерам, расположению перетяжек) и содержанию наследственной информации.

Соматические (от греч. сома — тело) клетки составляют тело живых организмов, образуя ткани и органы, и выполняют разнообразные функции. В отличие от гамет соматические клетки не принимают непосредственного участия в половом размножении и, как правило, содержат диплоидный (двойной) набор хромосом,обозначаемый 2n.В диплоидном наборе все хромосомы парные. В частности, соматические клетки человека содержат 46 хромосом, т. е. 23 пары (2п = 46). Парные хромосомы одинаковы по строению и сходны по содержанию наследственной информации, но имеют разное происхождение (одна из них — материнская, другая — отцовская). Такие хромосомы называют гомологичными.

Клетки с набором хромосом, увеличенным в три и более раз (кратно гаплоидному набору), называют полиплоидными.

4 Понятие о кариотипе. Число, форму и длину хромосом обычно объединяют понятием кариотип. Совокупность признаков хромосомного набора, характерных для клеток определенного вида живых организмов, называется кариотипом(от греч. карион — ядро, питое — образец). Кариотип — своего рода «хромосомный паспорт», по которому клетки одного вида организмов надежно отличаются от клеток других биологических видов.

Между количеством хромосом и сложностью организации живых организмов нет прямой связи. Например, клетки разных видов радиолярий (морских протистов) содержат 1000—1600 хромосом, клетки курицы — 78, а шимпанзе — всего 48. Диплоидный набор ели (голосеменное растение) составляет 24 хромосомы, а березы (покрытосеменное растение) — 18.

Л 3Способы деления эукариотических клеток.

1 Новые клетки возникают в результате деления уже существующих. Если делится одноклеточный организм, то из него образуются два новых. Многоклеточный организм также начинает свое развитие чаще всего с одной клетки. Путем многократных делений образуется огромное количество клеток, которые и составляют организм. Деление клеток обеспечивает размножение и развитие организмов, а значит, непрерывность жизни на Земле.

Клеточный цикл — жизнь клетки с момента ее образования в процессе деления материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели.

В течение этого цикла каждая клетка растет и развивается таким образом, чтобы успешно выполнять свои функции в организме. Далее клетка функционирует определенное время, по истечении которого либо делится, образуя дочерние клетки, либо погибает.

У различных видов организмов клеточный цикл занимает разное время: например, у бактерийон длится около 20 мин, уинфузории туфельки— около 36 ч. Клетки многоклеточных организмов на ранних стадиях развития делятся часто, а затем клеточные циклы значительно удлиняются. Высокодифференцированные клетки теряют способность к делению, а некоторые клетки постоянно делятся (эпителиальные, клетки крови).

Весь смысл деления клетки заключается в равноменром распределении генетического материала по дочерним клеткам. Поэтому любому делению клетки предшествует редукционное деление (удвоение) ДНК.

Клеточный цикл состоит из интерфазы и собственно деления. Обозначения: n – гаплоидный набор хромосом, с — число нитей ДНК.

Интерфаза— промежуток клеточного цикла между двумя делениями. В течение всей интерфазы хромосомы неспирализованы, они находятся в ядре клетки в виде хроматина. Интерфазу делят на 3 этапа (схема):

1. Пресинтетический G1 2n2c

резко активизируются все метаболические процессы в клетке: биосинтез белков жиров и углеводов, увеличивается число рибосом, митохондрий и пластид, синтезируются РНК.

2. Синтетический S 2n2c → 2n4c

активность метаболических процессов достигает максимума и происходит удвоение ДНК. Происходит удвоение центриолей клеточного центра, идет активный синтез белков-гистонов. К концу S-периода каждая хромосома состоит уже из двух идентичных сестринских хроматид, соединенных друг с другом в области центромеры.

3. Постсинтетический G2 2n4c

непосредственная подготовка клетки к делению. Активно синтезируются белки необходимые во время деления клетки, активно синтезируются и запасаются АТФ. Синтезируются белки-тубулины, из которых построены микротрубочки веретена деления.

Интерфаза завершается, и начинается собственно делениеM,в результате которого образуются дочерние клетки. В ходе митоза (основного способа деления клеток эукариот) сестринские хроматиды каждой хромосомы отделяются друг от друга и попадают в разные дочерние клетки. Следовательно, молодые дочерние клетки, вступающие в новый клеточный цикл, имеют набор 2п2с.

В противоположность этому большинство клеток многоклеточного организма встают на путь специализации и после прохождения части G-периода могут переходить в так называемый период покоя (Go-период).Клетки, пребывающие в Gо-периоде, выполняют свои специфические функции в организме, в них протекают процессы обмена веществ и энергии, но не происходит подготовка к репликации. Такие клетки, как правило, навсегда утрачивают способность к делению. Примерами могут служить нейроны, клетки хрусталика глаза и др. Некоторые клетки, находящиеся в Gо-периоде (например, лейкоциты, клетки печени), могут выходить из него и продолжать клеточный цикл, пройдя все периоды интерфазы и митоз. Так, клетки печени могут снова приобретать способность к делению спустя несколько месяцев пребывания в периоде покоя.

Простое бинарное делениехарактерно только для клеток прокариот. Бактериальные клетки содержат одну хромосому — кольцевую молекулу ДНК- Перед делением клетки происходит репликация и образуются две одинаковые молекулы ДНК, каждая из которых прикреплена к цитоплазматической мембране. При делении клетки цитоплазматическая мембрана врастает между двумя молекулами ДНК таким образом, что в итоге делит клетку надвое. В каждой образовавшейся клетке оказывается по одной идентичной молекуле ДНК

Для эукариотических клеток характерны другие способы деления: митоз, амитоз, мейоз.

Митоз — непрямое деление клетки. Амитоз — прямое деление клетки. Мейоз — редукционное деление половых клеток.

Амитоз. Осуществляется путем прямого деления клеточного ядра перетяжкой. При амитозе не образуется веретено деления и не происходит спирализация хроматина, поэтому наследственный материал распределяется между дочерними ядрами неравномерно, случайным образом. Амитозом делятся клетки с ослабленной физиологической активностью, стареющие, обреченные на гибель. Кроме того, амитоз наблюдается при различных патологических процессах, таких как рост злокачественных опухолей, воспаление и др. Для таких клеток становится невозможным возврат в нормальный клеточный цикл.