ЛЕКЦИЯ №1
Тема: «Клеточные основы наследственности человека»
Клетка – основная единица биологической активности.
Первое описание клеток было сделано в 1665 году англичанином Р.Гуком.
В зависимости от структурных особенностей клетки делятся на прокариотические и эукариотические. Прокариотическое организмы (перевод с греческого – «предъядерные») – это бактерии и сине-зелёные водоросли. Основной их особенностью является отсутствие оформленного ядра.
Более высокоорганизованные живые организмы – грибы, растения, животные, в том числе и человек, имеют в своем составе эукариотические клетки. Их особенностью является наличие ядра с ядерной оболочкой и цитоплазмой с органоидами.
Основные компоненты эукариотической клетки.
От окружающей среды клетку отделяет плазматическая или клеточная мембрана. Она выполняет важнейшие функции:
регулирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой;
ограничивает или полностью исключает доступ в клетку одних веществ и пропускает другие;
сохраняет форму клетки;
защищает клетку от повреждений;
участвует в формировании контактов с другими клетками.
Внутреннее содержимое клетки называется цитоплазмой и состоит из основного вещества и находящихся в нём разнообразных структур. Основное вещество – это бесцветная коллоидная масса, в которой протекают многие биохимические процессы. Оно обеспечивает взаимосвязь между отдельными структурами клетки.
Цитоплазма содержит включения и органоиды. Включения – это непостоянные структуры, встречающиеся в некоторых клетках в определенные периоды их жизнедеятельности (зерна крахмала, белков, капли секрета и др.)
Органоиды (клеточные органы) - постоянные компоненты клетки, имеющие специфические функции. К ним относятся: эндоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс Гольджи, лизосомы, митохондрии, рибосомы, микротрубочки и микрофиламенты, центросома.
Эндоплазматическая сеть состоит из мембраны, которая образует пронизывающий всю цитоплазму комплекс соединенных между собой полостей и каналов. На этой мембране расположены рибосомы, которые имеют большое значение для синтеза белковых молекул. Также эндоплазматическая сеть содержит ферменты для образования липидов и транспортирует различные вещества внутри клетки.
Аппарат Гольджи, или пластинчатый комплекс, включает 20 уплощенных дисковидных мембранных полостей. В этих полостях органические вещества подвергаются преобразованиям и транспортируются к различным структурам клетки.
Лизосомы представляют собой пузырьки, окруженные одиночной мембраной и содержащие набор ферментов. С их помощью клетка получает сырьё для химических и энергетических процессов.
Митохондрии - это самые крупные органоиды клетки. В них вырабатывается энергия, необходимая для осуществления всех важных жизненных функций.
Рибосомы являются самыми многочисленными органоидами клеток. Они состоят из двух субъединиц: большой и малой, которые сформированы из молекул р-РНК и белков. Главной их функцией является участие в биосинтезе белка.
Микротрубочки и микрофиламенты – это сократительные белки, имеющие нитевидную структуру. Располагаясь вдоль всей цитоплазмы клеток, они формируют цитоскелет, организуют движение органоидов, перемещение хромосом при делении и т.д.
Центросома, или клеточный центр, состоит из двух центриолей, перпендикулярных друг другу.
Центриоль представляет собой полый цилиндр, стенка которого образована микротрубочками. Центриоли участвуют в формировании митотического веретена деления.
В некоторых клетках организма человека располагаются специализированные органоиды, обеспечивающие специфические функции. К ним относятся, например, миофибриллы мышечного волокна, нейрофибриллы и синаптические пузырьки нервных клеток, микроворсинки эпителиальных клеток.
Важнейшей структурной частью эукариотических клеток является ядро. Оно было открыто в 1831 году Р. Брауном.
В клетке находится одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки. Форма ядра может варьировать в зависимости от типа клеток и их функционального состояния, но чаще она шаровидная или яйцевидная. Составными частями клеточных ядер являются ядерная оболочка и кариоплазма, содержащая хроматин и ядрышки.
Ядерная оболочка состоит из двух слоев мембраны и имеет поры, через которые происходит обмен веществ.
Основной компонент ядра – хроматин: хорошо окрашиваемые специальными красителями гранулы и нитевидные структуры. Он содержит ДНК в комплексе с белками. Хроматин неделящейся клетки представлен множеством длинных и тонких нитей, которые в некоторых местах закручены (спирализованы) в более толстые тяжи. Это состояние обеспечивает возможность реализации наследственной информации и удвоения генетического материала. В процессе деления клеток спирализация хроматина значительно увеличивается, что приводит к формированию хромосом. В ядре также находятся одно или несколько ядрышек. Они обнаруживаются только в неделящихся клетках и являются центрами образования субчастиц рибосом. Хроматин и ядрышки расположены в желеобразном растворе различных химических веществ, который называется кариоплазма.
Клеточное ядро выполняет важные функции по хранению и использованию наследственной информации, является регулятором всей жизнедеятельности клетки.
Жизненный (клеточный) цикл
Весь период существования клетки от её возникновения до деления или гибели называется жизненным, или клеточным циклом.
Вновь появившаяся клетка первоначально растет и дифференцируется, затем она выполняет свои специфические функции. Это время существования клетки называется периодом покоя. Однако в процессе своей жизнедеятельности часть клеток стареет и погибает. Любой организм нуждается в возникновении новых клеток на смену старым для того, чтобы нормально развиваться, поддерживать свою структуру и нормальной функционировать. Образование новых клеток возможно только путем деления. Поэтому обязательной частью жизненного цикла является митотический цикл, включающий подготовку к делению (интерфазу) и само деление. В быстро делящихся клетках (например эмбриональных) жизненный цикл практический совпадает с митотическим. В свою очередь интерфаза включает три периода: пресинтетический – G1, синтетический – S и постсинтетический - G2.
В пресинтетический (G1) период клетка растет, осуществляет синтез белков и РНК, накапливает богатые энергией вещества. Продолжительность этой стадии интерфазы очень вариабельна, но в среднем составляет около 10 часов.
Синтетический (S) период характеризуется удвоением генетического материала. Это необходимо для того, чтобы вновь образовавшиеся клетки имели такой же геном, как и их предшественница. На этой стадии продолжается синтез белков и РНК. Этот период обычно длится 9 часов.
Во время постсинтетического (G2) периода клетка готовится к делению, накапливая энергию и белки. Увеличивается количество митохондрий, делится центросома. Продолжительность этой фазы примерно 4 часа.
Деление клетки.
В настоящее время известно три типа деления эукариотических клеток: амитоз, митоз и мейоз.
Амитоз – прямое деление. При этом клетка, а иногда – только её ядро, делится путём простой перетяжки. Равномерного распределения наследственного материала между вновь образовавшимися клетками не происходит. Возможно образование двухъядерных клеток. Амитоз – редкое явление. Он характерен для погибающих или измененных клеток (например, опухолевых).
Митоз – непрямое деление соматических клеток, в результате которого из одной клетки-предшественницы образуются две точные её копии. Это универсальный способ увеличения количества или замещения погибших эукариотических клеток.
Мейоз – редукционное деление половых клеток. Оно приводит к уменьшению содержания наследственного материла во вновь образовавшихся клетках. Таким образом, сохраняется постоянство набора генетических структур у потомков при слиянии половых клеток родителей.
Основы цитогенетики.
Строение и типы метафазных хромосом человека.
Многие ученые в разных странах мира изучали хромосомы клеточного ядра. Однако только в 1955 году Тио и Леван установили, что в большинстве клеток у человека присутствует 46 хромосом.
Хромосомы (в переводе – окрашенные тельца) формируются в начале деления клеток из хроматина интерфазного ядра. Хромосомы являются носителями наследственной информации, передаваемой из поколения в поколение у большинства живых организмов, в том числе и у человека.
Хроматин состоит из молекул ДНК, связанных с белками. Эти нити можно рассмотреть только при помощи электронного микроскопа. Они составлены из расположенных друг за другом микрочастиц – нуклеосом, диаметр которых около 10 нм. Нуклеосома имеет белковых остов, вокруг которого закручено молекула ДНК.
В течение жизненного цикла клетки хромосомы подвергаются определенным изменениям. В периоде покоя и интерфазы они составляют хроматин клеточного ядра. В таком положении хроматин активно участвует в жизнедеятельности клетки, обеспечивая образование белков и молекул РНК. В S-синтетическом периоде происходит удвоение всех хромосом. Это необходимо для того, чтобы в результате деления вновь образовавшиеся клетки получили такой же набор наследственного материла, какой имела их предшественница.
Во время деления нити хроматина сильно спирализуются, закручиваются и утолщаются, формируя видимые в световой микроскоп хромосомы. Именно поэтому основные сведения о строении хромосом были получены во время митоза.
Так как к моменту деления хромосомы удвоены, то в световой микроскоп они видны состоящими из двух нитей – хроматид. Обе хроматиды объединены между собой в области первичной перетяжки – центромеры. Центромера делит хромосому поперек на две части – плечи, которые бывают короткими (p) и длинными (q). В зависимости от расположения центромеры различают 3 типа хромосом:
- метацентрические, в которых центромера расположена в середине хромосомы и плечи имеют одинаковый размер (p=q);
- субметацентрические, центромера в которых сдвинута к одному концу хромосомы. При этом различаются короткие и длинные плечи;
- акроцентрические, когда визуально можно определить у хромосомы только длинные плечи. При этом центромера располагается на конце хромосомы или близко от него.
Некоторые хромосомы могут иметь дополнительные перетяжки, которые называются вторичными. Если вторичная перетяжка располагается близко к концу хромосомы, то отделяемый ею участок называется спутником.
Понятие о кариотипе человека.
Число, размеры и форма хромосом являются специфическими признаками для каждого вида живых организмов. Так, в клетках рака-отшельника содержится по 254 хромосомы, а у комара – только 6. Соматические клетки человека содержат 46 хромосом.
Совокупность всех структурных и количественных особенностей полного набора хромосом, характерного для клеток конкретного вида живых организмов, называется кариотипом.
Кариотип будущего организма формируется в процессе слияния двух половых клеток (сперматозоида и яйцеклетки). При этом объединяются их хромосомные наборы. Ядро зрелой половой клетки содержит половинный набор хромосом (для человека – 23). Подобный одинарный набор хромосом, аналогичный таковому в половых клетках, называется гаплоидным и обозначается – n. При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом в новом организме воссоздаётся специфический для данного вида кариотип, включающий у человека 46 хромосом. Полный состав хромосом обычной соматической клетки является диплоидным (2n).
В диплоидном наборе каждая хромосома имеет аналогичную по размеру и расположению центромеры другую парную хромосому. Такие хромосомы называются гомологичными. Гомологичные хромосомы не только похожи друг на друга, но и содержат гены, отвечающие за одни и те же признаки.
При анализе соматических клеток женского организма в норме можно четко выделить 23 пары гомологичных хромосом. В то же время в кариотипе мужчины обнаруживается одна пара хромосом, отличающихся друг от друга по размеру и форме. Одна из них – довольно большая субметацентрическая хромосома, которую обозначили Х, другая – маленькая акроцентрическая – Y. Было доказано, что эти хромосомы определяют пол организма и содержат большинство генов, отвечающих за формирование гениталий, поэтому они получили название половых хромосом.
Кариотип женщины в норме содержит две Х-хромосомы, и его можно записать – 46, ХХ.
Кариотип мужчины включает Х- и Y-хромосомы (46, ХY).
Все остальные 22 пары хромосом получили название аутосомы. Каждой паре аутосом в порядке убывания их размеров присвоен свой номер от 1 до 22. Самыми длинными являются хромосомы 1-й пары, а самыми короткими – 21-й.
В 1960 году в г. Денвере (США) была принята первая классификация хромосом человека, которая учитывала их размеры и расположение центромеры. Универсальная система регистрации результатов анализа хромосом унифицировала клиническую оценку кариотипа человека независимо от того, в какой цитогенетической лаборатории проводилось исследование. С 1995 года во всем мире применяется Международная система для цитогенетической номенклатуры человека или ISCN (1995), которая опирается на новейшие достижения молекулярно-генетической диагностики.
Все аутосомы разделены на 7 групп, которые обозначили латинскими буквами. В группу А входят 3 пары самых длинных хромосом (1, 2, 3-я); группа В объединяет 2 пары крупных субметацентрических хромосом (4 и
5-я). Самой многочисленной является группа С, включающая 7 пар средних субметацентрических аутосом (с 6-й по 12-ю). По морфологическим особенностям хромосому Х трудно отличить от этой группы. Средние акроцентрические хромосомы 13, 14 и 15-й пар входят в группу D. Три пары мелких субметацентрических хромосом составляют группу Е (16, 17 и 18-я). Самые маленькие метацентрические хромосомы (19 и 20) составляют группу F. 21 и 22-я пары коротких акроцентрических хромосом включены в группу G. Y-хромосома морфологически очень похожа на аутосомы этой группы.
Гетерохроматин и эухроматин
В 1928 году при исследовании хроматина биологом Хейтцем было обнаружено, что некоторые участки хромосом сохраняют свою спирализацию и интенсивное окрашивание и в интерфазных клетках. Он предложил назвать эти участки гетерохроматином. Позже было показано, что в этих местах хромосомы практически не содержат генетической информации, отвечающей за образование белков. Выделяют два класса гетерохроматина: структурный и факультативный.
Структурный гетерохроматин обнаруживается вокруг центромер всех 46 хромосом. Он участвует в стабилизации структуры хроматина и имеет защитные функции. В этой области хромосом практически нет генетических структур, определяющих синтез белка.
Факультативный гетерохроматин выявляется не во всех клетках. Он представляет собой спирализованные Х-хромосомы. В женском организме, содержащем в норме две Х-хромосомы, одна из них остается плотно упакованной, инактивированной и в интерфазных клетках, проявляя свойство гетерохроматина.
Если в организме имеется только одна Х-хромосома, то факультативный гетерохроматин в нем отсутствует. В норме он обнаруживается у женщин, а у мужчин его нет. Причина формирования факультативного гетерохроматина у человека установлена в 1961 году М. Лайон. Было доказано существование эволюционно сформировавшегося механизма исключения из активной деятельности второй дозы генов, расположенных в Х-хромосоме. В результате, несмотря на отсутствие значительного количества генетического материала из-за малых размеров Y-хромосомы, мужской и женский организм уравновешиваются по количеству функционирующих генов.
Гетерохроматин Y-хромосомы и факультативный называют половым хроматином. Его часто используют для исследования половых хромосом. Число телец факультативного гетерохроматина всегда на одну единицу меньше количества Х-хромосом, Y-гетерохроматин указывает на наличие в этом организме Y-хромосомы.
Весь другой хроматин клеточного ядра называется эухроматином. Он состоит из деспирализованных нитей. Эухроматин содержит основную часть наследственной информации, определяющей признаки организма.
В митозе выделяют несколько фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.
Профаза – в начале ядро клетки хорошо видно под световым микроскопом. Хромосомы спирализуются и укорачиваются и из длинных и тонких становятся толстыми и короткими. Ядерная оболочка расплавляется, ядрышко исчезает, а центриоли расходятся к полюсам клетки, формируется ахроматиновое веретено. Хромосомы свободно лежат в цитоплазме.
Метафаза – хромосомы направляются к экватору клетки. Их центромеры расположены в одной плоскости. К ним прикрепляются нити веретена деления. К концу фазы можно сосчитать количество хромосом (хорошо видно, что они состоят их двух хроматид).
Анафаза – за счет сократительного белка миофибрилла происходит растягивание хроматид к разным полюсам клетки. Хроматиды уже выполняют функцию хромосом.
Телофаза – формируется ядро. Хромосомы деспирализуются. Они вновь видны под световым микроскопом тонкими и нитевидными. Происходит разделение цитоплазмы и образование оболочек двух дочерних клеток.
Значение митоза: Соматические клетки делятся митозом, в результате дочерние клетки получают абсолютно идентичный с материнским генетический материал. За счет митоза происходит рост организма, обновление и регенерация тканей и органов.
Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра, которые приводят к образованию половых клеток – гамет. Хотя во время мейоза клетка делится дважды, хромосомы удваиваются только один раз. В результате такого процесса обеспечивается редукция (уменьшение) числа хромосом в гамете вдвое по сравнению с исходной клеткой, т.е. от диплоидного набора (46 у человека) – до гаплоидного (23 у человека). Тогда при слиянии двух половых клеток новый организм обретет вновь диплоидное число хромосом.
Интерфаза, предшествующая мейозу, аналогична митотической и включает удвоение хромосом в S-периоде. В свою очередь каждое из двух делений мейоза содержит четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
Первое деление мейоза (мейоз I) начинаетя с профазы I. В свою очередь в профазе I выделяют пять подстадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез.
Во время метафазы I хромосомы располагаются в экваториальной области. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам каждого бивалента. Гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и растягиваются к разным полюсам, но на концах хроматид еще сохраняются хиазмы.
Анафаза I характеризуется окончательным разделением гомологичных хромосом. Их центромеры растягиваются веретеном деления к разным полюсам клетки, увлекая за собой по паре хроматид.
После завершения перемещения хромосом к полюсам начинается телофаза I. В этот период образуются ядерные оболочки вокруг вновь сформировавшихся наборов хромосом, и клетка делится на две части. Образуются новые клетки.
Между двумя делениями мейоза может быть короткая интерфаза. Иногда её нет совсем. Главная особенность этой интерфазы состоит в том, что она не сопровождается удвоением генетического материала.
К началу второго деления мейоза (мейоз II) хромосомы уже удвоены, состоят из двух хроматид, соединенных в области центромеры. При этом каждая клетка содержит гаплоидный набор хромосом.
Профаза II обычная короткая и сопровождается разрушением оболочек ядер и образованием ахроматинового веретена.
Интерфазу и профазу II иногда объединяют названием интеркинез.
Во время метафазы II хромосомы прикрепляются к нитям веретена деления в области центромеры.
Анафаза II характеризуется разделением центромер каждой хромосомы, хроматиды отделяются друг от друга и растягиваются к разным полюсам клетки, превращаясь, таким образом, в хромосомы.
Телофаза II завершается образованием четырёх клеток из двух предшествующих. Каждая из вновь образовавшихся клеток содержит гаплоидный набор хромосом, структура которых состоит только из одной хроматиды.
Значение мейоза заключается в том, что этот процесс обеспечивает постоянство числа хромосом в ряду поколений размножающихся половым путем организмов. При данном типе размножения для формирования нового организма необходимо оплодотворение, т.е. слияние двух половых клеток.
Гаметогенез у человека
Процесс образования половых клеток называется гаметогенез. Он происходит в половых органах – гонадах. Гаметогенез имеет определенные особенности, зависящие от пола организма, в котором происходит мейоз. Формирование мужских половых клеток называется сперматогенезом, женских - оогенезом.
Первичные половые клетки выделяются из желточного мешка на 27-й день развития эмбриона и мигрируют к месту, где будут образовываться половые органы. На 46-й день внутриутробного развития гонады начинают дифференцироваться и становятся либо яичниками, либо семенниками.
В этот период в мужских гонадах первичные половые клетки становятся сперматогониями, которые непрерывно делятся путем митоза вплоть до периода половой зрелости. Примерно в 15-16 лет сперматогонии начинают вступать в мейоз. Предварительно они увеличиваются в размерах, превращаясь в сперматоциты I порядка, содержащие 46 удвоенных хромосом. Сперматоциты I порядка вступают в первое деление мейоза, которое заканчивается образованием сперматоцитов II порядка. Сперматоциты II порядка содержат по 23 хромосомы, состоящие из двух хроматид. После второго деления мейоза из сперматоцитов II порядка образуются сперматиды, содержащие по 23 хромосомы. В сперматидах каждая хромосома уже имеет только одну хроматиду. Сперматиды в дальнейшем приобретают некоторые структурные особенности: изменяется состояние клеточной оболочки, появляются шейка и хвост, которые будут обеспечивать движение клетки. Полностью сформировавшаяся мужская половая клетка получила название сперматозоид.
Таким образом, в результате сперматогенеза из одной диплоидной сперматогонии формируется четыре равноценных гаплоидных сперматозоида. Деление сперматогониев и образование сперматозоидов продолжается вплоть до затухания деятельности гонад в старости. За весь период половой зрелости мужской организм продуцирует не менее 500 миллиардов гамет.
Процесс созревания женских половых клеток (оогенез) имеет свои особенности. После первичной половой дифференцировки в женском организме образуются оогонии, которые претерпевают несколько митотических делений. Начиная со второго месяца внутриутробного развития женского плода, ряд оогоний вступают в первое деление мейоза, превращаясь в ооцит I порядка. Деление ооцитов I порядка останавливается сразу после диплотены. На этой стадии мейоз в женских гонадах прекращается на 7-м месяце внутриутробного развития плода вплоть до периода полового созревания. После рождения девочки все оставшиеся оогонии дегенерируют. В период половой зрелости, обычно ежемесячно один ооцит I порядка заканчивает первое деление мейоза, после которого образуются две разные клетки: одна большая, содержащая почти всю цитоплазму от ооцита I порядка, - ооцит II порядка, и маленькая, фактически включающая только ядро с 23 хромосомами, - первое полярное тельце. Затем ооцит II порядка вступает во второе деление мейоза. Мейоз II порядка тоже приводит к возникновению двух неравных гаплоидных клеток: крупной – яйцеклетки, и маленькой – второго полярного тельца. В оогенезе мейоз II порядка заканчивается в момент оплодотворения, т. е. проникновения сперматозоида в цитоплазму яйцеклетки.
После проникновения сперматозоида в яйцеклетку в течение нескольких часов не происходит слияния женского и мужского гаплоидных наборов хромосом, хотя они сразу окружаются общей ядерной мембраной. Этот период является очень чувствительным ко всем внешним повреждающим воздействиям. После слияния женского и мужского наборов хромосом образуется клетка, называемая зиготой. Зигота начинает делиться путем обычного митоза, образуется новый организм.
ЛЕКЦИЯ №2