- •Биология
- •В двух книгах
- •В.Н. Ярыгин, в.И. Васильева, и.Н. Волков, в.В. Синелыцикова
- •Предисловие
- •Введение
- •Раздел I
- •1.2. Стратегия жизни. Приспособление, прогресс, энергетическое
- •И информационное обеспечение
- •1.3. Свойства жизни
- •1.4. Происхождение жизни
- •1.5. Происхождение
- •Эукариотической клетки
- •1.6. Возникновение многоклеточности
- •1.7. Иерархическая система.
- •Уровни организации жизни
- •1.8. Проявление главных свойств жизни
- •На разных уровнях ее организации
- •1.9. Особенности проявления биологических закономерностей у людей. Биосоциальная природа человека
- •Раздел II
- •Клеточный и молекулярно-генетический уровни организации жизни — основа жизнедеятельности организмов
- •Глава 2
- •Клетка —элементарная единица живого
- •2.1. Клеточная теория
- •2.2. Типы клеточной организации
- •2.3. Структурно-функциональная организация эукариотической клетки
- •2.3.1. Принцип компартментации.
- •Биологическая мембрана
- •2.3.2.Строение типичной клетки многоклеточного организма
- •2.3.3.Поток информации
- •2.3.4.Внутриклеточный поток энергии
- •2.3.5.Внутриклеточный поток веществ
- •2.3.6.Другие внутриклеточные механизмы общего значения
- •2.3.7.Клетка как целостная структура. Коллоидная система протоплазмы
- •2.4. Закономерности существования клетки во времени
- •2.4.1.Жизненный цикл клетки
- •2.4.2.Изменения клетки в митотическом цикле
- •Глава 3
- •Структурно-функциональная организация генетического материала
- •3.1. Наследственность и изменчивость — фундаментальные свойства живого
- •3.2. История формирования представлений об организации материального субстрата наследственности и изменчивости
- •3.3. Общие свойства генетического материала и уровни организации генетического аппарата
- •3.4. Генный уровень организации генетического аппарата
- •3.4.1.Химическая организация гена
- •3.4.1.1. Структура днк. Модель Дж. Уотсона и ф. Крика
- •3.4.1.2. Способ записи генетической информации в молекуле днк. Биологический код и его свойства
- •3.4.2Свойства днк как вещества наследственности
- •И изменчивости
- •3.4.2.1. Самовоспроизведение наследственного материала. Репликация днк
- •3.4.2.2. Механизмы сохранения нуклеогидной последовательности днк. Химическая стабильность. Репликация. Репарация
- •3.4.2.3. Изменения нуклеотидных последовательностей днк.
- •Генные мутации
- •3.4.2.4. Элементарные единицы изменчивости
- •Генетического материала. Мутон. Рекон.
- •3.4.2.5. Функциональная классификация генных мутаций
- •3.4.2.6. Механизмы, снижающие неблагоприятный эффект
- •Генных мутаций
- •3.4.3.Использование генетической информации
- •В процессах жизнедеятельности
- •3.4.3.1. Роль рнк в реализации наследственной информации
- •3.4.3.2. Особенности организации и экспрессии
- •Генетической информации у про- и эукариот
- •3.4.4.Функциональная характеристика гена
- •3.4.5.Биологическое значение генного уровня организации наследственного материала
- •3.5. Хромосомный уровень организации генетического материала
- •3.5.1.Некоторые положения хромосомной теории наследственности
- •3.5.2.Физико-химическая организация хромосом эукариотической клетки
- •3.5.2.1. Химический состав хромосом
- •3.5.2.2. Структурная организация хроматина
- •3.5.2.3. Морфология хромосом
- •3.5.2.4. Особенности пространственной организации
- •Генетического материала в прокариотической клетке
- •3.5.3.Проявление основных свойств материала наследственности и изменчивости на хромосомном уровне его организации
- •3.5.3.1. Самовоспроизведение хромосом
- •В митотическом цикле клеток
- •3.5.3.2. Распределение материала материнских хромосом
- •Между дочерними клетками в митозе
- •3.5.3.3. Изменения структурной организации хромосом. Хромосомные мутации
- •3.5.4.Значение хромосомной организации в функционировании
- •И наследовании генетического аппарата
- •3.5.5.Биологическое значение хромосомного уровня организации наследственного материала
- •3.6. Геномный уровень организации наследственного материала
- •3.6.1.Геном. Генотип. Кариотип
- •3.6.2.Проявление свойств наследственного материала
- •На геномном уровне его организации
- •3.6.2.1. Самовоспроизведение и поддержание постоянства кариотипа в ряду поколений клеток
- •3.6.2.2. Механизмы поддержания постоянства кариотипа
- •В ряду поколений организмов
- •3.6.2.3. Рекомбинация наследственного материала в генотипе. Комбинативная изменчивость
- •3.6.2.4. Изменения геномной организации
- •Наследственного материала. Геномные мутации
- •3.6.3.Особенности организации наследственного материала
- •3.6.4.Эволюция генома
- •3.6.4.1. Геном предполагаемого общего предка про- и эукариот
- •3.6.4.2. Эволюция прокариотического генома
- •3.6.4.3. Эволюция эукариотического генома
- •3.6.4.4. Подвижные генетические элементы
- •3.6.4.5. Роль горизонтального переноса генетического материала
- •В эволюции генома
- •3.6.5.Характеристика генотипа как сбалансированной по дозам системы взаимодействующих генов
- •3.6.5.1. Значение сохранения дозового баланса генов в генотипе
- •Для формирования нормального фенотипа
- •3.6.5.2. Взаимодействия между генами в генотипе
- •3.6.6.Регуляция экспрессии генов на геномном уровне организации наследственного материала
- •3.6.6.1. Общие принципы генетического контроля экспрессии генов
- •3.6.6.2. Роль негенетических факторов
- •В регуляции генной активности
- •3.6.6.3. Регуляция экспрессии генов у прокариот
- •3.6.6.4. Регуляция экспрессии генов у эукариот
- •3.6.7.Биологическое значение геномного уровня организации наследственного материала
- •Глава 4
- •Клеточные
- •И молекулярно-генетические механизмы обеспечения свойств наследственности
- •И изменчивости у человека
- •4.1. Молекулярно-генетические механизмы наследственности и изменчивости
- •У человека
- •4.2. Клеточные механизмы обеспечения наследственности и изменчивости
- •У человека
- •4.2.1.Соматические мутации
- •4.2.2.Генеративные мутации
- •Раздел III
- •Онтогенетический уровень организации живого
- •Глава 5
- •Размножение
- •5.1. Способы и формы размножения
- •5.2. Половое размножение
- •5.2.1.Чередование поколений
- •С бесполым и половым размножением
- •5.3. Половые клетки
- •5.3.1.Гаметогенез
- •5.3.2.Мейоз
- •5.4. Чередование гаплоидной
- •И диплоидной фаз жизненного цикла
- •5.5. Пути приобретения организмами биологической информации
- •Глава 6
- •6.1.1.Модификационная изменчивость
- •6.1.2.Роль наследственных и средовых факторов
- •В определении половой принадлежности организма
- •6.1.2.1. Доказательства генетического определения признаков пола
- •6.1.2.2. Доказательства роли факторов среды
- •В развитии признаков пола
- •6.2. Реализация наследственной информации в индивидуальном развитии. Мультигенные семейства
- •6.3. Типы и варианты
- •Наследования признаков
- •6.3.1.Закономерности наследования признаков,
- •Контролируемых ядерными генами
- •6.3.1.1. Моногенное наследование признаков.
- •Аутосомное и сцепленное с полом наследование
- •При моногенном наследовании
- •6.3.1.2. Одновременное наследование нескольких признаков. Независимое и сцепленное наследование
- •6.3.1.3. Наследование признаков,
- •Обусловленных взаимодействием неаллельных генов
- •6.3.2.Закономерности наследования внеядерных генов. Цитоплазматическое наследование
- •6.4. Роль наследственности и среды
- •В формировании нормального
- •И патологически измененного
- •Фенотипа человека
- •6.4.1.Наследственные болезни человека
- •6.4.1.1. Хромосомные болезни
- •6.4.1.2. Генные(или менделевские)болезни
- •6.4.1.3. Мультифакториальные заболевания,
- •Или болезни с наследственным предрасположением
- •6.4.1.4. Болезни с нетрадиционным типом наследования
- •Связанные с экспансией тринуклеотидных повторов
- •6.4.2.Особенности человека
- •Как объекта генетических исследований
- •6.4.3.Методы изучения генетики человека
- •6.4.3.1. Генеалогический метод
- •6.4.3.2. Близнецовый метод
- •6.4.3.3. Популяционно-статистический метод
- •6.4.3.4. Методы дерматоглифики и пальмоскопии
- •6.4.3.5. Методы генетики соматических клеток
- •6.4.3.6. Цитогенетичвский метод
- •6.4.3.7. Биохимический метод
- •6.4.3.8. Методы изучения днк в генетических исследованиях
- •6.4.4.Пренатальная диагностика наследственных заболеваний
- •6.4.5.Медико-генетическое консультирование
- •Глава 7
- •Периодизация онтогенеза
- •7.1. Этапы. Периоды и стадии онтогенеза
- •7.2. Видоизменения периодов онтогенеза, имеющие экологическое и эволюционное значение
- •7.3. Морфофизиологические и эволюционные особенности яиц хордовых
- •7.4. Оплодотворение и партеногенез
- •7.5. Эмбриональное развитие
- •7.5.1.Дробление
- •7.5.2.Гаструляция
- •7.5.3.Образование органов и тканей
- •7.5.4.Провизорные органы зародышей позвоночных
- •7.6. Эмбриональное развитие млекопитающих и человека
- •7.6.1.Периодизация и раннее эмбриональное развитие
- •7.6.2.Примеры органогенезов человека, отражающих эволюцию вида
- •Глава 8
- •Закономерности индивидуального развития организмов
- •8.1. Основные концепции
- •В биологии индивидуального развития
- •8.2. Механизмы онтогенеза
- •8.2.1.Деление клеток
- •8.2.2.Миграция клеток
- •8.2.3.Сортировка клеток
- •8.2.4.Гибель клеток
- •8.2.5.Дифференцировка клеток
- •8.2.6.Эмбриональная индукция
- •8.2.7.Генетический контроль развития
- •8.3. Целостность онтогенеза
- •8.3.1.Детерминация
- •8.3.2.Эмбриональная регуляция
- •8.3.3.Морфогенез
- •8.3.4.Рост
- •8.3.5.Интегрированность онтогенеза
- •8.4. Регенерация
- •8.5. Старость и старение.
- •Смерть как биологическое явление
- •8.5.1.Изменение органов и систем органов в процессе старения
- •8.5.2.Проявление старения на молекулярном,
- •Субклеточном и клеточном уровнях
- •8.6. Зависимость проявления старения
- •От генотипа, условий и образа жизни
- •8.6.1.Генетика старения
- •У различных видов млекопитающих животных
- •8.6.2.Влияние на процесс старения условий жизни
- •8.6.3.Влияние на процесс старения образа жизни
- •8.6.4.Влияние на процесс старения эндоэкологической ситуации
- •8.7. Гипотезы,
- •Объясняющие механизмы старения
- •8.8. Введение в биологию продолжительности жизни людей
- •8.8.1.Статистический метод изучения закономерностей продолжительности жизни
- •8.8.2.Вклад социальной и биологической компонент в общую смертность в историческом времени и в разных популяциях
- •Глава 9
- •Роль нарушений механизмов онтогенеза в патологии человека
- •9.1. Критические периоды
- •В онтогенезе человека
- •9.2. Классификация врожденных
- •Пороков развития
- •9.3. Значение нарушения механизмов онтогенеза в формировании пороков развития
- •Рекомендуемая литература
- •Раздел I 8
- •Глава 1 8
- •Раздел II 36
- •Глава 2 36
- •Глава 3 61
- •Глава 4 187
- •Раздел III 207
- •Глава 5 207
- •Глава 6 227
- •Глава 7 294
- •Глава 8 351
- •Глава 9 442
- •Биология
3.5.2.Физико-химическая организация хромосом эукариотической клетки
3.5.2.1. Химический состав хромосом
Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс—хроматин, получивший свое название за способность окрашиваться основными красителями.
Как было доказано многочисленными исследованиями (см. § 3.2), ДНК является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе биологическую информацию — программу развития клетки, организма, записанную с помощью особого кода. Количество ДНК в ядрах клеток организма данного вида постоянно и пропорционально их плоидности. В диплоидных соматических клетках организма ее вдвое больше, чем в гаметах. Увеличение числа хромосомных наборов в полипловдных клетках сопровождается пропорциональным увеличением количества ДНК в них.
Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки.
Гистоны представлены пятью фракциями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах (см. разд. 3.5.2.2).
Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.
РНК хромосом представлена отчасти продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза. Некоторым фракциям свойственна регуляторная функция.
Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» списывания информации с молекулы ДНК.
Массовые соотношения ДНК: гистоны: негистоновые белки: РНК: липиды — равны 1:1:(0,2—0,5):(0,1—0,15):(0,01—-0,03). Другие компоненты встречаются в незначительном количестве.
3.5.2.2. Структурная организация хроматина
Сохраняя преемственность в ряду клеточных поколений, хроматин в зависимости от периода и фазы клеточного цикла меняет свою организацию. В интерфазе при световой микроскопии он выявляется в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме ядра. При переходе клетки к митозу, особенно в метафазе, хроматин приобретает вид хорошо различимых отдельных интенсивно окрашенных телец — хромосом.
Интерфазную и метафазную формы существования хроматина расценивают как два полярных варианта его структурной организации, связанных в митотическом цикле взаимопереходами. В пользу такой оценки свидетельствуют данные электронной микроскопии о том, что в основе как интерфазной, так и метафазной формы лежит одна и та же элементарная нитчатая структура. В процессе электронно-микроскопических и физико-химических исследований в составе интерфазного хроматина и метафазных хромосом были выявлены нити (фибриллы) диаметром 3,0—5,0, 10, 20—30 нм. Полезно вспомнить, что диаметр двойной спирали ДНК составляет примерно 2 нм, диаметр нитчатой структуры интерфазного хроматина равен 100—200, а диаметр одной из сестринских хроматид метафазной хромосомы — 500— 600 нм.
Наиболее распространенной является точка зрения, согласно которой хроматин (хромосома) представляет собой спирализованную нить. При этом выделяется несколько уровней спирализации (компак-тизации) хроматина (табл. 3.2).
Таблица 3.2. Последовательные уровни компактизации хроматина
Фибрилла |
Степень укорочения |
Диаметр, нм | |
по сравнению с предшествующей структурой |
по сравнению с молекулой ДНК | ||
ДНК |
1 |
1 |
1—2 |
Нуклесомная нить |
7 |
7 |
10 |
Элементарная хроматиновая фибрилла |
6 |
42 |
20—30 |
Интерфазная хромонема |
40 |
1600 |
100—200 |
Метафазная хроматида |
5 |
8000 |
500—600 |
Рис. 3.46. Нуклеосомная организация хроматина.
А — деконденсированная форма хроматина;
Б — электронная микрофотография эукариотического хроматина:
А — молекула ДНК накручена на белковые коры;
Б — хроматин представлен нуклеосомами, соединенными линкерной ДНК
Нуклеосомиая нить. Этот уровень организации хроматина обеспечивается четырьмя видами нуклеосомных гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Они образуют напоминающие по форме шайбу белковые тела — коры, состоящие из восьми молекул (по две молекулы каждого вида гистонов) (рис. 3.46).
Молекула ДНК комплектируется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них. При этом в контакте с каждым кором оказывается участок ДНК, состоящий из 146 пар нуклеотидов (п.н.). Свободные от контакта с белковыми телами участки ДНК называют связующими или линкерными. Они включают от 15 до 100 п.н. (в среднем 60 п.н.) в зависимости от типа клетки.
Отрезок молекулы ДНК длиной около 200 п. н. вместе с белковым кором составляет нуклеосому. Благодаря такой организации в основе структуры хроматина лежит нить, представляющая собой цепочку повторяющихся единиц — нуклеосом (рис. 3.46, Б). В связи с этим геном человека, состоящий из 3 · 109 п. н., представлен двойной спиралью ДНК, упакованной в 1,5 · 107 нуклеосом.
Вдоль нуклеосомной нити, напоминающей цепочку бус, имеются области ДНК, свободные от белковых тел. Эти области, расположенные с интервалами в несколько тысяч пар нуклеотидов, играют важную роль в дальнейшей упаковке хроматина, так как содержат нуклеотидные последовательности, специфически узнаваемые различными негистоновыми белками.
В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10—11 нм.
Хроматиновая фибрилла. Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается пистоном HI, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. В результате образуется более компактная структура, построенная, возможно, по типу соленоида. Такая Хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр 20—30 нм (рис. 3.47).
Рис. 3.47. Хроматиновая фибрилла диаметром 20—30 нм. А — соединение соседних нуклеосом с помощью гистона HI; Б — цепочка, образуемая нуклеосомами разделенными участками ДНК, свободными от белковых тел; В — возможная модель упаковки ДНК в хроматиновой фибрилле в виде соленоида |
Интерфазная хромонема. Следующий уровень структурной организации генетического материала обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В их образовании, по-видимому, принимают участие негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК, отдаленные друг от друга на расстояние в несколько тысяч пар нуклеотидов. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель из расположенных между ними фрагментов хроматиновой фибриллы (рис. 3.48). Участок ДНК, соответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 п. н. Возможно, каждая петля является функциональной единицей генома. В результате такой упаковки Хроматиновая фибрилла диаметром 20—30 нм преобразуется в структуру диаметром 100—200 нм, называемую интерфазной хромонемой.
Отдельные участки интерфазной хромонемы подвергаются дальнейшей компактизации, образуя структурные блоки, объединяющие соседние петли с одинаковой организацией (рис. 3.49). Они выявляются в интерфазном ядре в виде глыбок хроматина. Возможно, существование таких структурных блоков обусловливает картину неравномерного распределения некоторых красителей в метафазных хромосомах, что используют в цитогенетических исследованиях (см. разд. 3.5.2.3 и 6.4.3.6).
Неодинаковая степень компактизации разных участков интерфазных хромосом имеет большое функциональное значение. В зависимости от состояния хроматина выделяют эухроматиновые участки хромосом, отличающиеся меньшей плотностью упаковки в неделящихся клетках и потенциально транскрибируемые, и гетерохроматиновые участки, характеризующиеся компактной организацией и генетической инертностью. В их пределах транскрипции биологической информации не происходит.
Различают конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин.
Конститутивный гетерохроматин содержится в околоцентромерных и теломерных участках всех хромосом, а также на протяжении некоторых внутренних фрагментов отдельных хромосом (рис. 3.50). Он образован только нетранскрибируемой ДНК. Вероятно, его роль заключается в поддержании общей структуры ядра, прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном узнавании гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии в процессах регуляции их активности.
Рис. 3.49. Структурные блоки в организации хроматина.
А — петельная структура хроматина;
Б — дальнейшая конденсация хроматиновых петель;
В — объединение петель, имеющих сходную структуру, в блоки с образованием окончательной формы интерфазной хромосомы
Рис. 3.50. Конститутивный гетерохроматин в метафазных хромосомах человека
Примером факультативного гетерохроматина служит тельце полового хроматина, образуемое в норме в клетках организмов гомогаметного пола (у человека гомогаметным является женский пол) одной из двух Х-хромосом. Гены этой хромосомы не транскрибируются. Образование факультативного гетерохроматина за счет генетического материала других хромосом сопровождает процесс клеточной дифференцировки и служит механизмом выключения из активной функции групп генов, транскрипция которых не требуется в клетках данной специализации. В связи с этим рисунок хроматина ядер клеток из разных тканей и органов на гистологических препаратах различается. Примером может служить гетерохроматизация хроматина в ядрах зрелых эритроцитов птиц.
Перечисленные уровни структурной организации хроматина обнаруживаются в неделящейся клетке, когда хромосомы еще недостаточно компактизованы, чтобы быть видимыми в световой микроскоп как отдельные структуры. Лишь некоторые их участки с более высокой плотностью упаковки выявляются в ядрах в виде хроматиновых глыбок (рис. 3.51).
Рис. 3.51. Гетерохроматин в интерфазном ядре
Компактные участки гетерохроматина сгруппированы около ядрышка и ядерной мембраны
Метафазная хромосома. Вступление клетки из интерфазы в митоз сопровождается суперкомпактизацией хроматина. Отдельные хромосомы становятся хорошо различимы. Этот процесс начинается в профазе, достигая своего максимального выражения в метафазе митоза и анафазе (см. разд. 2.4.2). В телофазе митоза происходит декомпак-тизация вещества хромосом, которое приобретает структуру интерфазного хроматина. Описанная митотическая суперкомпактизация облегчает распределение хромосом к полюсам митотического веретена в анафазе митоза. Степень компактизации хроматина в разные периоды митотического цикла клетки можно оценить по данным, приведенным в табл. 3.2.