Тема 2. Цитологические основы наследственности.

Генетическая информация каждого человека сохраняется в 23 парах хромосом, которые отличаются размерами и формой. Хромосомный набор у человека принято разделять на семь групп аутосом и пару половых хромосом: А (1, 2, 3 пары хромосом), В (4, 5 пары), С (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 пары), D (13, 14, 15), E (16, 17, 18), F (19, 20), G 21, 22 пары хромосом), пара половых хромосом ХХ или XY

Основной составляющей каждой хромосомы является ДНК, а гены - это основные составляющие хромосомной ДНК. Молекула каждой хромосомы очень длинная, поэтому для компактности она плотно намотанная на специфические белки-гистоны. Это явление называется суперскручивание или суперкомпактизация. Для сравнения можно себе представить, что вся ДНК, которая содержится в ядре каждой клетки, в развернутом виде должна иметь длину около трех метров. Длина ДНК одной хромосомы составляет в среднем 5 см.

Почти в центре каждой хромосомы содержится ее центромера, небольшой участок, которая делит хромосому на две части, образуя при этом длинное плечо (q) и короткое плечо (р). Кроме того, для более детального и точного исследования хромосом используется метод окраски хромосом специальными красителями, использование которых вызывает образование характерной полосатой структуры. Каждая хромосома имеет уникальную четкую полосатую структуру, а каждая полоска имеет номер, который помогает определить (локализировать) конкретную часть хромосомы (локус). Этот метод, при котором положение данного гена определяется размещением его на конкретной полосе хромосомы называется цитогенетическим картированием. Например, ген бета-гемоглобина (HBB) размещен на хромосоме 11p15.4. Это означает, что ген HBB расположен на коротком плече (р) хромосомы 11 и находится на 4 полосе 15 участка этой хромосомы.(см. рис.1)

Рисунок 1

Основы деления эукариотических и половых клеток.

Материальная непрерывность в ряду поколений осуществляется путем размножения организмов, в основе которого лежит универсальный процесс – деление клетки. Возникновение многоклеточности сопровождалось специализацией тканей организма: появились соматические ткани (нервная, мышечная, соединительная и т.д.) и ткань, дающая начало половым клеткам – генеративная ткань.

Половое размножение возникло в процессе эволюции, как высшая форма воспроизведения организмов, позволяющая многократно увеличивать численность потомства и, что самое главное, половое размножение – необходимая предпосылка многих форм наследственной изменчивости. Эти два следствия во многом способствовали естественному отбору наиболее приспособленных, и тем самым существенно определяя скорость эволюционных преобразований. Однако бесполое размножение, являясь более древним, не потеряло своего значения, поскольку лежит в основе многоклеточности, развития и роста организмов.

МИТОЗ

Деление соматических клеток, или митоз, приводит к образованию из одной родительской клетки двух генетически идентичных дочерних клеток. Организм взрослого человека состоит примерно из 10¹⁴ клеток, для чего требуется около 47 циклов клеточного деления оплодотворенной яйцеклетки (зиготы).

Собственно митотическое деление занимает лишь незначительную часть жизненного цикла клетки. Между делениями ядро клетки находится в стадии относительного покоя, или интерфазы. В интерфазе хромосомы находятся в деспирализованном состоянии, в ядре отмечается наибольшая активность метаболических процессов, а клетка выполняет обычные для нее функции. Сразу после предшествующего деления, клетка вступает в период G1, характеризующийся интенсивными процессами синтеза белка и РНК; этот период называют постмитотическим или пресинтетическим.

Затем клетка вступает в период, когда происходит удвоение (репликация) количества ДНК, и каждая хромосома состоит из двух хроматид (синтетический период-S). С момента окончания синтеза ДНК и до начала клеточного деления продолжается постсинтетический, или премиотический период (G2) (см.рисунок II.1).

При делении ядро клетки претерпевает ряд последовательных изменений с образование характерных книтчатых структур, отсюда произошло и название процесса – митоз (от греч. mitos — нить). В процессе Митоза условно выделяют несколько стадий, постепенно и непрерывно переходящих друг в друга: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Длительность стадий Митоза различна и зависит от типа ткани, физиол. состояния организма, внеш. факторов; наиболее продолжительны первая и последняя.

Профаза. Эта стадия характеризуется: 1) спирализацией хромосомной нити; 2) исчезновением ядрышек; 3) движением центриолей к полюсам клетки и началом формирования митотического веретена; 4) исчезновением ядерной оболочки и объединением содержимого ядра с цитоплазмой (образуется миксоплазма, характеризующаяся особыми физико-химическими свойствами).

Метафаза. Хромосомы на этой стадии достигают максимальной конденсации и становятся особенно ясно различимыми, что позволяет оценить не только их число, но и морфологию индивидуальной хромосомы. В метафаза хромосомы расположены случайным образом в экваториальной плоскости клетки.перестают двигаться и выстраиваются по экватору веретена, образуя экваториальную пластинку. Завершается формирование веретена деления, и ахроматические нити прикрепляются к центромерам хромосом.

Анафаза — самая короткая стадия митоза. После деления центромеры, удерживающей до этого хроматиды в единой материнской хромосоме, каждая хроматида, прикрепленная к нити веретена деления, притягивается к определенному полюсу. Этим обеспечивается согласованное и точное распределение хромосомного материала в дочерние клетки.

Телофаза – заключиельная стадия митоза, в ходе оторой: 1) анафазная хроматида становится интерфазной хромосомой дочерней клетки; 2) происходит реконструкция ядерных мембран и восстановление ядрышек; 3) отмечается удвоение центриолей; 4) завершается обособление дочерних клеток.

Таким образом, события происходящие в митозе, приводят к образованию идентичных дочерних клеток, каждая из которых содержит точные копии генетического материала материнской клетки.

МЕЙОЗ.

Мейоз является клеточной основой полового размножения, когда гаплоидные гаметы, объединяясь в момент оплодотворения, образуют уникальную гаплоидную зиготу. В гаметогенезе происходит два последовательных деления клетки. Первой мейотическое деление, обозначаемое «мейоз I», состоит из профазы I, метафазы I, анафазы I, телофазы I.

В мейозе совершаются два критических события, отличающие процесс образования половых клеток от обычного митотического деления. Первое – спаривание гомологичных хромосом с образованием перекреста (хиазм) между хроматидами и обмен участками (кроссинговер) гомологичных хроматид. Второе существенное событие – редукция (уменьшение) диплоидного числа хромосом (2n = 46), приводящая к образованию гаплоидных гамет (n = 23). Пары гомологичных хромосом, объединенных в бивалент, представлены четырьмя хроматидами (тетрадой). Эти важнейшие события происходят во время первого мейотического деления. В анафазе I нити веретена деления разделяют бивалент (т.е. две гомологичные хромосомы) таким образом, что гомологи расходятся к различным полюсам клетки и происходит уменьшение числа хромосом вдвое. Именно поэтому мейоз I иногда называют редукционным делением. После телофазы I наступает короткая стадия – интеркинез. В отличие от интерфазы митоза в интеркинезе отсутствует период и, следовательно, не происходит репликации ДНК. Каждая клетка в начале второго мейотического деления содержит 23 хромосомы, каждая из которых состоит из сестринских хроматид. В профазе I I начинает формироваться новое веретено деления, и в метафазе I I хромосомы вновь располагаются в экваториальной плоскости. Во время анафазы I I за счет деления центромер к полюсам расходятся сестринские хроматиды, и в телофазе I I образуются дочерние клетки с гаплоидным набором. Таким образом диплоидная клетка, вступая в мейоз, образует 4 дочерние клетки с гаплоидным набором хромосом (см.рисунок 2).

Рисунок 2.

Схема мейотического деления клетки.

В результате мейоза образуются четыре гаплоидные клетки — гаметы. На рисунке представлены три пары хромосом