18. Строение метафазных хромосом. Кариотип человека. Денверская и парижская классификация хромосом.
Строение метафазных хромосом
Функциональными элементами хромосомы эукариот являются центромера, теломеры и сайты инициации репликации. Сайты инициации репликации и теломеры обеспечивают удвоение молекулы ДНК перед делением клеток. В области центромер сестринские хроматиды (дочерние молекулы ДНК) прикрепляются к митотическому веретену, что обеспечивает их точное расхождение в дочерние клетки в митозе. На центромере происходит сборка кинетохора – сложной белковой структуры, определяющей прикрепление хромосомы к микротрубочкам веретена деления, обеспечивающим движение дочерних хромосом в митозе. Центромера делит хромосомы на две части, называемые плечами. Короткое плечо хромосомы обозначают буквой p, а длинное буквой q. В зависимости от расположения центромеры хромосомы могут быть метацентрическими (центромера посередине), субметацентрическими (центромера сдвинута к одному из концов), акроцентрическими (центромера расположена практически на конце хромосомы) и телоцентрическими. Некоторые хромосомы на конце плеча имеют вторичную перетяжку (ядрышковый организатор), которая содержит рибосомные гены и отделяет так называемую спутником часть хромосомы. Ядрышковые организаторы у человека располагаются на коротких плечах акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21, 22. Ядрышко связано с образованием рибосом.
I — телоцентрическая, II — акроцентрическая, III—субметацентрическая, IV—метацентрическая;
1 — центромера, 2 — спутник, 3 — короткое плечо, 4 — длинное плечо, 5 — хроматиды
Кариотип человека–диплоидный набор хромосом, свойственный соматическим клеткам организмов,характерный для каждого биологического вида. К признакам, характеризующим кариотип, относят число, размер и форму хромосом, положение центромеры, наличие вторичных перетяжек, чередование гетерохроматиновых и эухроматиновых участков и др. Постоянство всех признаков видового кариотипа обеспечивается процессами репликации ДНК, распределения хромосом в клетках в процессе их деления и оплодотворения. Являясь видовой характеристикой организмов, кариотип может отличаться у отдельных особей некоторыми частными особенностями. Например, у представителей разного пола, имеются в основном одинаковые пары хромосом (аутосомы), но их кариотипы отличаются по одной паре хромосом (гетерохромосомы, или половые хромосомы).
У каждого человека 46 хромосом, две из которых половые. У женщины это две X хромосомы (кариотип: 46, ХХ), а у мужчин одна Х хромосома, а другая – Y (кариотип: 46, ХY)
Денверская и парижская классификация хромосом
В 1960 г. была предложена Денверская классификация хромосом, которая помимо размеров хромосом учитывает их форму, положение центромеры и наличие вторичных перетяжек и спутников. 23 пары хромосом человека разбили на 7 групп от А до G. Важным параметром является центромерный индекс (ЦИ), который отражает отношение (в %) длины короткого плеча к длине всей хромосомы. Согласно денверской классификации 23 пары хромосом человека были разделены на 7 групп:
А –метацентрики 1, 3 и субметацентрик 2
B –субметацентрики 4,5
C – мета-субметацентрики 6-12 и Х хромосома
D – акроцентрики со спутником 13,14,15
E – короткие метацентрики и субметацентрики 16,17,18
F – небольшие метацентрики 19,20
G – акроцентрики 21,22, Y хромосомы
В основе Парижской классификации хромосом человека (1971 г.) лежат методы специальной дифференциальной их окраски, при которой в каждой хромосоме выявляется характерный только для нее порядок чередования поперечных светлых и темных сегментов. Использование дифференциальной окраски разделяет qи pплечи хромосом, выделяя в них сегменты. Характер расположения сегментов по длине хромосом различен, что позволяет проводить достаточно точную идентификацию каждой хромосомы в кариотипе.
Вопрос №19 Клеточный и митотический цикл. Периоды клеточного цикла. Патологические митозы- причина возникновения хромосомных и геномных мутаций.
Период существования клетки или клеточный цикл начинается с момента ее появления в результате деления материнской клетки и может быть завершен ее собственным делением или гибелью. Он включает подготовку клетки к делению и само деление, а также процессы, связанные с дифференцировкой и специализацией клеток для выполнения разнообразных функций в организме.
Совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до другого, в результате которых образуется из одной материнской две дочерние клетки новой генерации, называется митотическим циклом.
Делящиеся клетки могут не только продолжать делиться или временно прекратить деление. Их судьба зависит от влияния внутренних и внешних факторов. Клетки могут вступать в процесс дифференцировки, в них иногда запускается механизм самоуничтожения, клетки могут превращаться в опухолевые.
Периоды КЦ
G1 период (пресинтетический) – это фаза интенсивного роста клетки. Здесь происходит синтез определенных веществ, наиболее продолжительная фаза. В этой фазе происходит накопление веществ и энергии, необходимой для удвоения ДНК.
Sпериод (синтетический) – удвоение и редупликация ДНК, синтез гистоновых белков, синтез ферментов, регулирующих и обеспечивающих синтез нуклеотидов нуклеотидов и образование новых нитей ДНК. Удваивается центриоли. К концу периода, каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных друг с другом центриомерой.
G2 период (постсинтетический) – в этот период накапливается энергия, необходимая для дальнейшего процесса деления клетки. Происходит деление митохондрий и хлоропластов, а также синтезируются белки, которые впоследствии будут образовывать микротрубочки. Синтез АТФ.
Патологические митозы
Нарушение нормального хода митоза и неправильное распределение хромосом между дочерними клетками приводит к хромосомным и геномным мутациям. Патологический митоз в соматической клетке может привести к клеточному мозаицизму, в генеративной клетке к образованию гамет с нарушенным хромосомным набором. Патологические митозы возникают часто при канцерогенезе, радиации, вирусной инфекции и др.
Патология митоза может быть связана :
- С повреждением хромосом, например, гиперспирализация, фрагментация, набухание и слипание хромосом, образование хромосомных и хроматидных мостиков.
- С разрушением микротрубочек веретена деления, нарушением репродукции центриолей.
- С нарушением цитотомии.
Формы патологических митозов:
Многополюсный митоз – расхождение в анафазе не двух, а трех и более направлениях.
Неравный митоз – неодинаковость размеров двух хромосомных групп, расходящихся к полюсам клетки.
Рассеивание хромосом – не формируется типичная метафазная пластинка, а хромосомы равномерно распределены по цитоплазме.
Полая метафаза – расположение хромосом по периферии клетки, центр пуст.
Отстаивание хромосом – в анафазе образование «хромосомных мостиков» между двумя хромосомными группами, расходящимися к полюсам клетки.
К-митоз или колхициновый – нерасхождение хромосом, задержка в метафазе и гиперсперализация.
Вопрос №20 Регуляция митотического цикла. Дифференцировка клеток. Апоптоз. Трансформация клеток при онкогенезе.
Митотический цикл.
Митоз - непрямое деление клетки, в результате которого сначала происходит удвоение наследственного материала, а затем его равномерное распределение между двумя дочерними клетками. На процесс деления клетки митозом уходит 1-3 часа. Промежуток между двумя клеточными делениями называют интерфазой, продолжительность которой обычно занимает около 90% времени клеточного цикла .
Интерфаза состоит из трех периодо:
-пресинтетический период (G1), который начинается сразу же за завершением предыдущего митоза. В этот период в клетке синтезируются РНК и белки, образуется достаточное число органоидов, клетка растет. Количество генетического материала в клетке не меняется. Число хромосом в клетке равно двойному, гаплоидному (2п), но каждая хромосома все еще состоит из одной хроматиды, то есть из одной молекулы ДНК. Таким образом, формула клетки в этот период — 2п2с;
-синтетический период (S) характеризуется тем, что происходит удвоение молекул ДНК, и к концу этого периода каждая хромосома состоит из двух одинаковых хроматид, а значит, из двух абсолютно одинаковых молекул ДНК. Таким образом,формула клетки становится: 2п4с;
-постсинтетического периода (G2) происходит подготовка клетки к делению: синтезируются белки, необходимые для образования веретена деления и для формирования хромосом; запасается АТФ. Формула клетки не меняется, оставаясь 2п4с.
Непосредственно процесс деления клетки подразделяют на четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
В профазе происходит спирализация хромосом. Оболочка ядра разрушается. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется веретено деления — 2п4с.
В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом — 2п4с.
В анафазе центромеры делятся, и хроматиды хромосом расходятся к полюсам клетки за счет укорочения нитей веретена деления. Формула клетки становится 4п4с.
В телофазе заканчивается кариокинез — деление ядра. Хромосомы деспирализуются, образуется ядерная оболочка. А далее происходит цитокинез — деление клетки. В конце телофазы из материнской клетки (4п4с) образуются две идентичные клетки с наборами генетического материала 2п2с.
Биологическое значение митоза в том, что в итоге его образуются две клетки с совершенно одинаковой наследственной информацией. Митоз позволяет увеличивать число клеток в организме, обеспечивая рост, вегетативное размножение, регенерацию и заживление повреждений тела.
Дифференцировка –представляет собой созидательный процесс направленного изменения, в результате которого из общих черт, присущих всем клеткам, возникают структуры и функции, свойственные тем или иным специализированным клеткам. Процесс дифференцировки сводится к приобретению (или утрате) различными клетками структурных или функциональных особенностей, в результате чего эти клетки становятся специализированными для различных видов активностей, свойственных живым организмам, и формируют соответствующие органы в организме.
Апоптоз- генетически запрограммированная гибель клетки, органеллы упорядоченно разрушаются, клетка распадается на апоптозные пузырьки, которые поглощаются клетками данной ткани.
Регуляция движения клеток по МЦ осуществляется белками циклинами и Cdk(циклинозависимые кеназы)
Главное отличие некроза от апоптоза, в том, что некроз — это смерть клетки вследствие её повреждения (химического, термического, рентгеновского излучения и т. д.). Апоптоз является полезным и необходимым для жизнедеятельности существа процессом. Апоптоз наступает, в частности, если клетка заражена вирусом или слишком сильно повреждена агрессивными химическими агентами или ионизирующим излучением (например, рентгеновскими лучами). Решение об апоптозе клетки может принять она сама, соседние клетки или иммунные клетки. Если клетка не в состоянии произвести апоптоз из-за мутации или заражения вирусом, она может начать делиться бесконтрольно, что приводит к опухоли.
Трансформация клеток при онкогенезе
Онкогены- возникают в результате мутаций клеточных протоонкогенов. Ряд вирусов содержат в геноме онкогены, но они не присущи им исходно, а получены ими из генома тех клеток, в которых они обитают.
Существуют 2 группы генов,регулирующие МЦ:
1)Антионкогены(опухолевые сувпрессоры)- тормозят продвижение клеток по МЦ. Ген p53 активизируется при повреждении ДНК в клетке,стимулирует репарацию, а в случае неудачи вызывает апоптоз.
2) Протоонкогены- ускоряют движение клеток по МЦ. Ген ras при бесконтрольной экспрессии вызывает развитие онкологии.
Генетические изменения, приводящие к преобразованию протоонкогенов в онкогены:
-транслокация(ген перемещается в новый локус с новыми регуляторами)
-амплификация(несколько копий гена)
-точковая мутация регулятора
-точковая мутация внутри гена
Вопрос № 21 половое размножение. Жизненный цикл многоклеточного организма.
Жизненный цикл включает все стадии развития организма и при половом размножении характеризуется чередованием диплоидной и гаплоидной стадий развития. Гаметы несут гаплоидный набор хромосом. Образующиеся в результате оплодотворения зигота и соматические клетки, строящие ткани и органы многоклеточного организма – диплоидны. Оплодотворение и митотические деления соматических клеток, мейоз половых клеток необходимы для смены поколений вида.
Половое размножение
Свойство организмов воспроизводить себе подобных, обеспечивающее непрерывность жизни, называется размножением.
Половым называется размножение, при котором преемственность поколений в увеличение численности особей осуществляется с помощью специализированных половых клеток - гамет: женских - яйцеклеток и мужских - сперматозоидов. Созревшие половые клетки при слиянии образуют зиготу, из которой развивается новый дочерний организм. По достижении половой зрелости новый организм в свою очередь производит гаметы, которые дают начало следующим потомкам. Так осуществляется преемственность поколений. Половое размножение имеет очень большие эволюционные преимущества по сравнению с бесполым. Это обусловлено тем, что генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. В результате повышаются возможности организмов в приспособлении к условиям окружающей среды. Сущность полового размножения заключается в объединении в наследственном материале потомка генетической информация из двух разных источников - родителей. При партеногенезе, когда развитие нового организма происходит только из яйцеклетки, в ней возникает новая комбинация генов в результате кроссинговера и независимого комбинирования хромосом. Редукция числа хромосом вдвое в половых клетках обеспечивает возможность восстановления плоидности в зиготе, образующейся в результате процесса оплодотворения, и тем самым поддерживается постоянство кариотипа в ряду поколений организмов.
Вопрос №22 Мейоз. Особенности фаз 1 первого деления мейоза. Патология Мейоза. Ее роль в образовании аномальных гамет и развития хромосомных заболеваний человека.
ОТВЕТ:
МЕЙОЗ- это процесс клеточного деления, приводящий к уменьшению вдвое числа хромосом ( гаплоидности) и возникновению новых комбинация наследственного материала в гаметах.
Мейоз состоит из 2 последовательных делений с короткой интерфазой между ними.
Первое деление( редукционное) приводит к образованию 2-х гаплоидных клеток.
Профаза I — профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:
Лептотена или лептонема — упаковка хромосом, конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей (хромосомы укорачиваются).
Зиготена или зигонема — происходит конъюгация — соединение гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами и их дальнейшая компактизация.
Пахитена или пахинема — (самая длительная стадия) — в некоторых местах гомологичные хромосомы плотно соединяются, образуя хиазмы. В них происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами.
Диплотена или диплонема — происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой. У некоторых животных в ооцитах хромосомы на этой стадии профазы мейоза приобретают характерную форму хромосом типа ламповых щёток.
Диакинез — ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; центриоли расходятся к полюсам; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.
К концу Профазы I центриоли мигрируют к полюсам клетки, формируются нити веретена деления, разрушаются ядерная мембрана и ядрышки
Метафаза I — бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.
Анафаза I — микротрубочки сокращаются, биваленты делятся, и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе.
Телофаза I — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.
Биологическое значение : -У организмов, размножающихся половым путем, предотвращается удвоение числа хромосом в каждом поколении, так как при образовании половых клеток мейозом происходит редукция числа хромосом.-Мейоз создает возможность для возникновения новых комбинаций генов (комбинативная изменчивость), так как происходит образование генетически различных гамет.-Редукция числа хромосом приводит к образованию «чистых гамет», несущих только один аллель соответствующего локуса.
КОНЕЧНАЯ ФОРМУЛА : n2с
Патологические мейозы- возникают под действием физ, хим, и вирусных агентов. Изменения в структуре кариотипа под данными воздействиями вызывают хромосомные заболевания, генеративные мутации.
Варианты патологий:
Неравный кроссинговер- приводит к хромосомным перестройкам по типу делеций и дупликаций, кот. в свою очередь могут привести к генным мутациям.
Полное не расхождение хромосом- приводит к неуменьшению количество хромосом, полиплоидизация- кратное увеличение числа хромосом.
Не расхождение отдельных пар гомологичных хромосом- в силу прочного сцепления происходит, приводит к различным вариантам анэуплоидий.
Первичные и вторичные не расхождения хромосом. Первое происходит в процессе гаметогенеза у родителей и приводит к образованию гамет с несбалансированным набором хромосом ( родители здоровы, у потомков- мутации, болеют возможен летальный исход или бесплодие), второе не расхождение происходит уже у потомков , в случае если хромосомы не расходятся, риск летальности увеличивается в разы.
Вопрос № 23 Гаметогенез. Особенности спермато-овогенеза.
Гаметогенез состоит из стадий:
Размножения ( первичные половые клетки делятся митозом)
Роста ( период соответствует интерфазе митоза)
Созревания ( в результате 2 митотических делений половые клетки становятся гаплоидными)
Формирование ( при сперматогенезе)