Гены, хромосомы и деление клеток

Человеческий организм состоит более чем из 200 различных видов клеток,являющихся самыми маленькими автономными структурами в нем. Несмотря на свое разнообразие, практически все наши соматические (телесные) клетки имеют несколько одинаковых, общих компонентов. Внешний слой клетки — клеточная мембрана— пористый, что позволяет впускать внутрь клетки питательные вещества, а продукты жизнедеятельности выпускать наружу. Внутри клетки находится цитоплазма, состоящая из большой совокупности различных и высокоспецифичных структур, поддерживающихся волокнистым цитоскелетом во взвешенном состоянии. Митохондрии являются источниками энергии клетки; они обрабатывают питательные вещества и обеспечивают клетку энергией. Эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи и рибосомы являются структурами «сборочного конвейера», который производит многие виды протеинов (белков), необходимых для жизни и функционирования как клетки, так и всего организма. Внутренней частью клетки является ядро, также окруженное пористой мембраной, отделяющей его от остальной цитоплазмы и в то же время позволяющей биохимическим веществам беспрепятственно проходить сквозь нее в обоих направлениях. Наконец, в ядре локализована большая часть дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК выступает в роли «органа исполнительной власти» клетки и является основой (базой) наследственности.

Структура ДНК была раскрыта Джеймсом Уотсоном, Фрэнсисом Криком и их коллегами ДНК — это макромолекула, обладающая высокой сложностью организации. Она состоит из большого числа маленьких молекул, в свою очередь состоящих из атомов. Если гипотетически «развернуть» отдельный сегмент ДНК и представить его в виде лестницы мы сможем увидеть составляющие ее блоки, называемые нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из молекулы соли фосфорной кислоты и молекулы сахарозы, которые формируют боковые стойки лестницы, и из одной из четырех азотно-углеродно-водородных баз: адениновой (А), тиминовой (Г), цитозиновой (С) и гуаниновой (G), объединенных водородной связью по парам, формирующим ступеньки лестницы.

Базы связываются в базовые пары в строго определенном порядке, не допускающем вариантов. В силу своего химического строения аденин может связываться только с тимином, а цитозин — только с гуанином. В ДНК человека находятся 3,12 миллиарда базовых пар. Более того, ДНК каждого среднего человека приблизительно на 99,9% идентична ДНК любого другого нормального человека. Лишь 0,1% отвечает за биологический вклад во все наши индивидуальные различия по физическим и психологическим характеристикам. Полученные данные вызывают большие сомнения насчет наличия смысла в понятии «раса».

Понятие генов как основных единиц наследственности было известно задолго до того, как молекулярная генетика смогла подтвердить их наличие и значение, определить биохимическую природу. Ген — это выраженный сегмент ДНК, который может иметь длину от нескольких сотен до нескольких миллионов базовых пар. До сих пор истинное количество генов в геноме человека неизвестно. Оценки колеблются от 30 до 120 тысяч; обобщая оценки, полученные различными путями, этот диапазон можно сузить до 65-80 тысяч.

Большую часть времени ДНК распределена в пределах ядра. Однако когда клетка готовится к делению, ДНК компактизуется в хромосомы.«Объединению» хромосом было посвящено множество исследований; искажения на хромосомном уровне можно диагностировать при помощи изучения кариотипаиндивида. У нормальных людей большинство клеток содержат 46 хромосом, составляющих 23 пары. Двадцать две пары называются аутосомами.Их нумерация происходит по порядку, начиная с самой крупной, а заканчивается самой маленькой; они объединены по следующему признаку; не детерминируют пол человека. Двадцать третья пара — это половые хромосомы:XX у женщин и XY у мужчин.

Когда клетка готова к делению и воспроизводству, лестница ДНК разворачивается и отделяются две длинные цепи. Далее каждая цепь притягивает из клетки новый биохимический материал для синтеза новой комплементарной цепи и, в конечном итоге, новых клеток.

Вопрос №2

При нормальном процессе митозакаждая клетка разделяется и в точности дублирует себя. После того как ДНК реплицировала себя, хромосомные пары разделяются и воспроизводят прежний хромосомный порядок исходной клетки. Так формируются две новые клетки, каждая из которых содержит 46 хромосом, объединенных в 23 пары так же, как в родительской клетке.

В процессе мейоза формируются репродуктивные клетки (сперматозоид и яйцеклетка). Его результатом является образование гаметы,клетки, содержащей только 23 хромосомы (а не 46, составляющих 23 пары). У мужчин мейоз происходит в семенниках и состоит из двух циклов деления, в результате которых получаются четыре плодородные сперматозоидные клетки. С вступлением в пубертат в норме мужчины начинают постоянно производить много тысяч сперматозоидов, и это производство продолжается на протяжении всей их жизни. Напротив, процесс мейоза у женщин начинается в яичниках задолго до их рождения и лишь частично завершает создание приблизительно 400 тысяч яйцеклеток, которыми будет обладать женщина — опять же, в ходе процесса, состоящего из двух стадий. Он замедляется в определенный момент, прежде чем окончательное деление произведет функционально зрелую и способную к оплодотворению яйцеклетку и второе полярное тело. Окончательная стадия не происходит до тех пор, пока женщина не вступает в пубертат; тогда яйцеклетка начинает завершать процесс мейоза или «вызревать» приблизительно один раз в месяц.

Мейоз — главная причина того, почему дети не являются точными копиями своих родителей. Индивидуальные вариации происходят несколькими способами. Во-первых, когда в начале процесса мейотического деления хромосомы родителей разделяются, генетический материал часто случайным образом совершает «переход», происходит обмен им между хромосомами, что приводит к возникновению уникальных, новых хромосом. Затем, на финальной стадии мейотического деления, происходит случайное определение того, какие хромосомы попадут в какой сперматозоид или в яйцеклетку. (Этот процесс называется независимой сортировкой.)Аналогично, во время оплодотворения и зачатия определение того, какой сперматозоид соединится с какой яйцеклеткой, также происходит случайно. В силу всех перечисленных возможностей появления вариаций по результатам приблизительных оценок было подсчитано, что одни и те же родители могут произвести сотни триллионов уникальных детей. Это во много раз больше того количества людей, которые когда-либо жили. Поэтому мы можем с легким сердцем предположить, что никакие двое людей (кроме идентичных близнецов, не являются точными генетическими копиями друг друга.

Вопрос №3

Когда-то считалось, что мутации — явление сравнительно редкое, но исследования в области молекулярной генетики показали, что на самом деле они встречаются достаточно часто. На молекулярном уровне мутация — это изменение ДНК, которое обычно происходит в течение митоза или мейоза. В большинстве случаев мутации являются неадаптивными и новая клетка просто погибает (или восстанавливается, избавляясь от нее), но очень небольшое число мутаций оказываются жизнеспособными — и клетка выживает. Многие мутации безвредны и не имеют никакого эффекта. Другие могут оказывать отчетливые влияния. При митозном клеточном делении, если жизнеспособная мутация происходит на ранних стадиях развития, она передается всем клеткам, реплицирующимся в различных отделах данной клетки. Последствия для развивающегося организма могут быть пагубными или адаптивными в эволюционном смысле, особенно если мутация происходит очень рано и впоследствии воздействует на гаметы. При мейотическом клеточном делении мутация влияет только на будущие гаметы, останавливаясь на этом, если только мутировавшие гаметы не займутся производством потомства, — в этом случае мутация может передаваться следующему поколению и далее.

Мутации происходят, главным образом, на молекулярном уровне, обычно в ходе репликации (за исключением радиационного разрушения, воздействий токсичных химикатов и т. д.). Они принимают разнообразные формы, каждая из которых, в свою очередь, способна потенциально влиять на проявление тех или иных генов и на протеиновый синтез. Наиболее общим типом мутаций являются замещения баз. Среди них — наличие в гене неверной базы (или нескольких неверных баз) в местах кодирования, что, в свою очередь, приводит к вставке в последовательность протеина неверной аминокислоты. Менее частыми, но особенно коварными по своим разрушительным эффектам являются выпадения,т.е. простые потери нуклеотидов в ходе репликации ДНК, и вставки,добавления нуклеотидов, иногда через повторение нуклеотидных цепей. Кроме того, мутации могут происходить на хромосомном уровне.

Тем не менее, независимо от вредного влияния некоторых мутаций, те из них, которые оказываются жизнеспособными и адаптивными, являются основными источниками эволюции. Без адаптивных мутаций, передающихся следующим поколениям, было бы невозможным осуществление естественного отбора.

Тема 2. Генотип и фенотип

План: