Основы биологии

Хромосомные мутации (хромосомные абберации) - структурные перестройки, затрагивающие одну или несколько хромосом. При всем многообразии структурных перестроек все они связаны с потерей либо с добавлением участка хромосомы. Частичные моносомии и трисомии (смотри 8 лекцию). На долю хромосомных мутаций приходится 7% хромосомных болезней. Клинически они сопровождаются множественными пороками развития и аномалиями.

Геномные мутации. Полиплоидия - увеличение числа хромосом, кратное диплоидному набору (клетки печени в норме). Анеуплоидия (гетероплоидия)- уменьшение или увеличение количества хромосом не кратное диплоидному. Гаплоидия - наличие гаплоидного набора хромосом в некоторых клетках (как правило, происходит гибель клеток).

Мутации могут быть полезными, вредными или не оказывать явного влияния - т.е. быть нейтральными. Обычные гены в популяции адаптивны, обладатели лучше приспосабливаются, а вновь возникающие мутации чаще всего уже встречались ранее и были утрачены, потому что не способствовали лучшему приспособлению к определенным условиям жизни. Мутантный ген может накапливаться, может быть полезным. И все же большинство мутаций - вредны.

18.Репарация как механизм поддержания генетического гомеостаза. Виды репарации. Мутации, связанные с нарушением репарации и их роль в патологии.

Для поддержания главных характеристик клетки или организма на протяжении их жизни, а также в ряду поколений наследственный материал должен отличаться устойчивостью к внешним воздействиям или должны существовать механизмы коррекции возникающих в нем изменений. В живой природе используются оба фактора. Третьим фактором является точность копирования нуклеотидных последовательностей материнской ДНК в процессе ее репликации.

ДНК-геликаза расплетает двойную спираль ДНК, разделяя ее полинуклеотидные цепи; дестабилизирующие белки выпрямляют участок цепи ДНК; ДНК-топоизомераза разрывает фосфодиэфирную связь в одной из полинуглеотидных цепей ДНК, снимая напряжение, вызываемое расплетенисм спирали и расхождением цепей в репликационной вилке; РНК-праймаза синтезирует РНК-затравки для дочерней цепи и для каждого фрагмента Оказаки; ДНК-полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирующей цепи и синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи; ДНК-лигаза сшивает фрагменты Оказаки после удаления РНК-затравки.

По реакционной способности молекулы ДНК относятся к категории химически инертных веществ. Известно, что роль вещества наследственности может выполнять не только ДНК, но и РНК (некоторые вирусы). Считают, что выбор в пользу ДНК обусловлен ее более низкой по сравнению с РНК реакционной способностью.

В поддержании высокой точности репликации важная роль принадлежит прежде всего ферменту ДНК-полимеразе. Этот фермент осуществляет отбор необходимых нуклеотидов из числа имеющихся в ядерном соке нуклеозидтрифосфатов (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), точное присоединение их к матричной цепи ДНК и включение в растущую дочернюю цепь. Частота включения неправильных нуклеотидов на этой стадии составляет 1·10^-5 пар оснований.

Такие ошибки в работе ДНК-полимеразы связаны с возникновением измененных форм азотистых оснований, которые образуют «незаконные» пары с основаниями материнской цепи. Например, измененная форма цитозина вместо гуанина связывается водородными связями с аденином. В результате в растущую цепь ДНК включается ошибочный нуклеотид. Быстрый переход измененной формы такого основания в обычную нарушает его связывание с матрицей, появляется неспаренный 3'-ОН-конец растущей цепи ДНК. В этой ситуации включается механизм самокоррекции, осуществляемый ДНК-полимеразой (или тесно связанным с ней ферментом -- редактирующей эндонуклеазой). Самокоррекция заключается в отщеплении ошибочно включенного в цепь ДНК нуклеотида, не спаренного с матрицей. Следствием самокоррекции является снижение частоты ошибок в 10 раз (с 10^-5 до 10^-6).

Несмотря на эффективность самокоррекции, в ходе репликации после удвоения ДНК в ней обнаруживаются ошибки. Особенно часто это наблюдается при нарушении концентрации четырех нуклеозидтрифосфатов в окружающем субстрате. Значительная часть изменений возникает также в молекулах ДНК в результате спонтанно происходящих процессов, связанных с потерей пуриновых оснований -- аденина и гуанина (апуринизацией) -- или дезаминированием цитозина, который превращается в урацил. Частота последних изменений достигает 100 на 1 геном/сут.

Содержащиеся в ДНК основания могут изменяться под влиянием реакционноспособных соединений, нарушающих их нормальное спаривание, а также под действием ультрафиолетового излучения, которое может вызвать образование ковалентной связи между двумя соседними остатками тимина в ДНК (димеры тимина). Названные изменения в очередном цикле репликации должны привести либо к выпадению пар оснований в дочерней ДНК, либо к замене одних пар другими. Указанные изменения действительно сопровождают каждый цикл репликации ДНК, однако их частота значительно меньше, чем должна была бы быть. Это объясняется тем, что большинство изменений такого рода устраняется благодаря действию механизма репарации (молекулярного восстановления) исходной нуклеотидной последовательности ДНК.

Механизм репарации основан на наличии в молекуле ДНК двух комплементарных цепей. Искажение последовательности нуклеотидов в одной из них обнаруживается специфическими ферментами. Затем соответствующий участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй комплементарной цепи ДНК. Такую репарацию называют эксцизионной, т.е. с «вырезанием». Она осуществляется до очередного цикла репликации, поэтому ее называют также дорепликативной.

Восстановление исходной структуры ДНК требует участия ряда ферментов. Важным моментом в запуске механизма репарации является обнаружение ошибки в структуре ДНК. Нередко такие ошибки возникают во вновь синтезированной цепи в процессе репликации. Ферменты репарации должны обнаружить именно эту цепь. У многих видов живых организмов вновь синтезированная цепь ДНК отличается от материнской степенью метилирования ее азотистых оснований, которое отстает от синтеза. Репарации при этом подвергается неметилированная цепь. Объектом узнавания ферментами репарации могут также служить разрывы в цепи ДНК. У высших организмов, где синтез ДНК происходит не непрерывно, а отдельными репликонами, вновь синтезируемая цепь ДНК имеет разрывы, что делает возможным ее узнавание.

Восстановление структуры ДНК при утрате пуриновых оснований одной из ее цепей предполагает обнаружение дефекта с помощью фермента эндонуклеазы, которая разрывает фосфоэфирную связь в месте повреждения цепи. Затем измененный участок с несколькими примыкающими к нему нуклеотидами удаляется ферментом экзонуклеазой, а на его месте в соответствии с порядком оснований комплементарной цепи образуется правильная нуклеотидная последовательность

При изменении одного из оснований в цепи ДНК в восстановлении исходной структуры принимают участие ферменты ДНК-гликозилазы числом около 20. Они специфически узнают повреждения, обусловленные дезаминированием, алкилированием и другими структурными преобразованиями оснований. Такие модифицированные основания удаляются. Возникают участки, лишенные оснований, которые репарируются, как при утрате пуринов. Если восстановление нормальной структуры не осуществляется, например в случае дезаминирования азотистых оснований, происходит замена одних пар комплементарных оснований другими --пара Ц--Г может заменяться парой Т--А и т.п.

Образование в полинуклеотидных цепях под действием УФ-лучей тиминовых димеров (Т--Т) требует участия ферментов, узнающих не отдельные измененные основания, а более протяженные повреждения структуры ДНК. Репаративный процесс в этом случае также связан с удалением участка, несущего димер, и восстановлением нормальной последовательности нуклеотидов путем синтеза на комплементарной цепи ДНК.

В том случае, когда система эксцизионной репарации не исправляет изменения, возникшего в одной цепи ДНК, в ходе репликации происходит фиксация этого изменения и оно становится достоянием обеих цепей ДНК. Это приводит к замене одной пары комплементарных нуклеотидов на другую либо к появлению разрывов (брешей) во вновь синтезированной цепи против измененных участков. Восстановление нормальной структуры ДНК при этом может произойти и после репликации.

Пострепликативная репарация осуществляется путем рекомбинации (обмена фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Примером такой пострепликативной репарации может служить восстановление нормальной структуры ДНК при возникновении тиминовых димеров (Т--Т), когда они не устраняются самопроизвольно под действием видимого света (световая репарация) или в ходе дорепликативной эксцизионной репарации.

Ковалентные связи, возникающие между рядом стоящими остатками тимина, делают их не способными к связыванию с комплементарными нуклеотидами. В результате во вновь синтезируемой цепи ДНК появляются разрывы (бреши), узнаваемые ферментами репарации. Восстановление целостности новой полинуклеотидной цепи одной из дочерних ДНК осуществляется благодаря рекомбинации с соответствующей ей нормальной материнской цепью другой дочерней ДНК. Образовавшийся в материнской цепи пробел заполняется затем путем синтеза на комплементарной ей полинуклеотидной цепи. Проявлением такой пострепликативной репарации, осуществляемой путем рекомбинации между цепями двух дочерних молекул ДНК, можно считать нередко наблюдаемый обмен материалом между сестринскими хроматидами.

В ходе дорепликативной и пострепликативной репарации восстанавливается большая часть повреждений структуры ДНК. Однако, если в наследственном материале клетки возникает слишком много повреждений и часть из них не ликвидируется, включается система индуцируемых (побуждаемых) ферментов репарации (SOS-система). Эти ферменты заполняют бреши, восстанавливая целостность синтезируемых полинуклеотидных цепей без точного соблюдения принципа комплементарности. Вот почему иногда сами процессы репарации могут служить источником стойких изменений в структуре ДНК (мутаций). Названная реакция также относится к SOS-системе.

Если в клетке, несмотря на осуществляемую репарацию, количество повреждений структуры ДНК остается высоким, в ней блокируются процессы репликации ДНК. Такая клетка не делится, а значит, не передает возникших изменений потомству.

Вызываемая повреждениями ДНК остановка клеточного цикла в сочетании с невозможностью молекулярной репарации измененного наследственного материала может с участием белка, синтез которого контролируется геном р53, приводить к активации процесса самоликвидации (апотпоз) дефектной клетки с целью устранения ее из организма.

Таким образом, обширный набор различных ферментов репарации осуществляет непрерывный «осмотр» ДНК, удаляя из нее поврежденные участки и способствуя поддержанию стабильности наследственного материала. Совместное действие ферментов репликации (ДНК-полимераза и редактирующая эндонуклеаза) и ферментов репарации обеспечивает достаточно низкую частоту ошибок в молекулах ДНК, которая поддерживается на уровне 1 · 10^-9 пар измененных нуклеотидов на геном. При размере генома человека 3 · 10⁹ нуклеотидных пар это означает появление около 3 ошибок на реплицирующийся геном. Вместе с тем даже этот уровень достаточен для образования за время существования жизни на Земле значительного генетического разнообразия в виде генных мутаций.

№ 19. Ген - участок молекулы ДНК, который несет информацию о структуре полипептидной цепи или макромолекулы. Свойства: 1.Ген - функциональная единица наследственной информации. 2.Ген занимает определенный участок в хромосоме - локус. Гены располагаются в хромосоме в линейном порядке и образуют группу сцепления. Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом. 3. Гены не меняются. Ошибки исправляются репарационными механизмами. 4. Гены способны к мутациям. 5. Полиаллелизм- присутствие в генофонде вида одновременно различных аллелей гена. 6. Каждый ген отвечает за развитие определённого признака или признаков

Генетический код - способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Свойства: 1. Триплетность -- единица кода - сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон). 2. Непрерывность -- между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. 3. Однозначность (специфичность) -- определённый кодон соответствует только одной аминокислоте. 4. Вырожденность (избыточность) -- одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. 5. Универсальность -- генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности -- от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии).

Структура РНК. Одна полинуклеотидная цепь, состоящая из 4 пар разновидностей нуклеотидов, содержащих рибозу, фосфат и одно из 4-х азотистых оснований - аденин, гуанин, цитозин, урацил. Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между Ц и Г, А и У. Есть гидроксильная группа в 2' положении рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А-конформации. Виды РНК:

мРНК (иРНК) -- РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов. Транскрипцией называют процесс копирования генетической информации с ДНК на РНК, в частности на мРНК. Транскрипция осуществляется ферментом РНК-полимеразой, строящей, согласно принципу комплементарности, копию участка ДНК на основании одной из цепей двойной спирали. Сначала возникает про-и-РНК. Это объясняется тем, что у эукариот и-РНК образуется в результате процессинга (созревания). Ген имеет прерывистую структуру. Кодирующие участки - экзоны и некодирующие - интроны. Ген у эукариоических организмов имеет экзонно-интронную структуру. Длина интрона больше длины экзона. В процессе процессинга интроны «вырезаются» - сплайсинг. Иногда интроны одного гена являются экзонами другого, тогда сплайсинг невозможен.

тРНК - трансляционный посредник, доставляет амк к месту сборки полипептидов. тРНК синтезируются на определенных последовательностях ДНК. Состоит из небольшого числа нуклеотидов - 75-95. В форме листа клевера, к концу акцепторного «стебля» присоединяется амк. Противоположный конец тРНК называется антикодоном и несет информацию о триплете, соответствующем данной аминокислоте. 10-15% РНК в клетке.

рРНК образуют сложные комплексы рибосом, на которых происходит трансляция. Белки образуют каркас рибосом и играют роль ферментов. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции -- считывания информации с мРНК при помощи тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами. Рибосомные субчастицы содержат по одной молекуле рРНК большой длины. рРНК синтезируется в ядрышке.

Поцессинг и сплайсинг способны объединять структуры, удаленные друг от друга, в один ген, поэтому они имеют огромное эволюционное значение. Подобные процессы упрощают видообразование. Например, на границе между 2мя генами фермента ДНК-полимеразы находится интрон; фермент состоит из 2 доменов, которые образуют 2 независимые компактные частицы, связанные полипептидным мостиком. Когда-то домены были раздельными генами, а затем - сблизились. Нарушения подобной структуры гена приводит к генным болезням. Нарушение строения интрона фенотипически незаметно, нарушение в экзонной последовательности приводят к мутации (мутации глобиновых генов).

Роль РНК в процессе реализации наследственной информации. ДНК - макромолекула, она не может выходить в цитоплазму из ядра и передавать информацию. РНК переводит наследственную информацию из ДНК в рабочую форму - синтезируют белки. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через биосинтез белка.

№ 20. Рибосомный цикл синтеза белка. Перенос информации с иРНК на белок во время его синтеза называется трансляцией. Собранные в полисомы рибосомы двигаются по иРНК; движение происходит последовательно, по триплетам. В месте контакта рибосомы с иРНК работает фермент, собирающий белок из аминокислот, доставляемых к рибосомам тРНК. При этом происходит сравнение кодона иРНК с антикодоном тРНК; если они комплементарны, фермент (синтетаза) «сшивает» аминокислоты, а рибосома продвигается вперед на один кодон.

Синтез одной молекулы белка обычно идет 1-2 мин (один шаг занимает 0,2 с)

Фаза инициации начинается со слияния двух субчастиц рибосомы на мРНК, присоединения к мРНК первой тРНК, а также определения рамки считывания информации с мРНК. На 5-м конце любой мРНК находится участок комплементарный рРНК малой субчастицы рибосомы и специфически узнаваемый ею. Рядом с ним располагается стартовый кодон АУГ, шифрующий аминокислоты метионин. При этом только тРНК, несущая метионин (у прокариот формилметионин), способна соединиться с малой субчастицей после чего происходит объединение большой и малой субчастиц рибосомы. Процессы инициации катализируются особыми белками - факторами инициации, которые подвижно связаны с малой субчастицей рибосомы. По завершении фазы инициации белки отделяются от рибосомы.

Фаза элонгации представляет собой циклически повторяющиеся события при которых происходит удлинение пептида. тРНК, несущая аминокислоту, при соединении ее антикодона с кодоном мРНК становится в положение 1 большой субчастицы. Между аминокислотой из пептидной цепочки и аминокислотой, соединенной с тРНК, образуется пептидная связь. В результате предыдущая теряет связь со своей тРНК и присоединяется к тРНК, находящейся в положении 1. Далее рибосома продвигается вдоль мРНК и тРНК с цепочкой аминокислот становится в положение 2. Такая последовательность событий повторяется до тех пор, пока в положение 1 рибосомы не поступит кодон-терминатор, для которого не существует соответствующей тРНК.

Фаза терминации связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА). При этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК, а рибосома распадается на две субчастицы. Синтез пептида происходит не одной рибосомой, а несколькими тысячами, которые образуют комплекс - полисому.

Посттрансляционные преобразования белков. После завершения трансляции и высвобождения белка из рибосомы аминокислоты в составе полипептидной цепи подвергаются разнообразным химическим модификациям. Примерами посттрансляционной модификации являются:

- присоединение различных функциональных групп (ацетил-, метил- и фосфатных групп);

- присоединение липидов и углеводородов;

- изменение стандартных аминокислот на нестандартные (образование цитруллина);

- образование структурных изменений (образование дисульфидных мостиков между цистеинами);

- удаление части белка как в начале (сигнальная последовательность), так и в отдельных случаях в середине (инсулин);

- добавление небольших белков, которые влияют на деградацию белков.

При этом тип модификации может быть как универсальным, так и специфическим для данного белка. В то же время один и тот же белок может подвергаться многочисленным модификациям. Так, гистоны (белки, входящие в состав хроматина у эукариот) в разных условиях могут подвергаться до 150 различных модификаций.

№ 21 Взаимосвязь между геном и признаком. Связь между геном и признаком (продуктом) была открыта при изучении брожения в безвоздушной среде в 1902 г Гарродом. Он изучал родословные больных алкаптонурией, пришел к выводу, что болезнь - результат нарушения обмена азота, при этом вместо мочевины образуется темное вещество. При содействии Бэтса в 1908 году высказано предположение, что болезнь возникает у рецессивных гомозигот, у которых не хватает какой-то ферментативной реакции, что приводит к накоплению и выведению субстрата, который в норме должен был расщепиться. В крови людей содержится гомогентизиновая кислота, но в норме она расщепляется оксидазой гомогентизиновой кислоты до малеинацетата, затем до воды и углекислого газа. У больных нет оксидазы, поэтому происходит накопление кислоты и вывод ее с мочой. Так же наследуется альбинизм, хотя встречается гораздо чаще. При этом заболевании отсутствует фермент, осуществляющий превращение тирозина в меланин.

Гипотеза «один ген - один фермент». В 1940 год - Бидл и Татум предложили гипотезу: 1 ген - 1 фермент. Эта гипотеза сыграла важную роль - ученые стали рассматривать конечные продукты. Оказалось, что гипотеза имеет ограничения, т.к. все ферменты - белки, но не все белки - ферменты. Как правило, белки являются олигомерами - т.е. существуют в четвертичной структуре, в образовании которой принимают участие разные пептидные цепи. Например, гемоглобин взрослого человека включает четыре глобиновых цепи -- 2б и 2в, кодируемые разными генами. Поэтому формула, отражающая связь между геном и признаком, была несколько преобразована: «Один ген - одна полипептидная цепь».

№ 22. Ген как единица изменчивости. Ген - наименьший участок хромосомы, способный претерпеть мутацию. Внезапные спонтанные изменения фенотипа, которые нельзя связать с обычными генетическими явлениями, можно объяснить только изменениями в структуре отдельных генов. Такое изменение последовательности оснований в данном гене воспроизводится при транскрипции в структуре мРНК и приводит к изменению последовательности аминокислот в полипептидной цепи, образующейся в результате трансляции на рибосомах.

Генные мутации связаны с изменением внутренней структуры генов, что превращает одни аллели в другие. Можно выделить несколько типов генных мутаций на молекулярном уровне:

- замена пар нуклеотидов. Замена пуринового основания на др. пуриновое, или одного пиримидинового на др. пиримидиновое - транзиция. Замена пуринового основания на пиримидиновое и наоборот - трансверсия. При замене нуклеотидов в структурных генах происходит изменение смысла гена - возникают миссенс-мутации. При этом одна аминокислота в полипептиде замещается другой. Фенотипическое проявление мутации зависит от положения аминокислоты в полипептиде. При замене последовательности ЦТЦ на ЦАЦ возникает серповидно-клеточная анемия. Образуется новый полипептид и гемоглобин имеет совсем другие свойства. Некоторые миссенс-мутации приводят к возникновению фермента, обладающего высокой активностью в одних условиях и средней в других условиях. Т.к. генетический код вырожден, то при замене триплетов, кодирующий одну и ту же аминокислоту, мутации не проявляются. Другой вид мутаций - нонсенс - мутации - при замене одного нуклеотида другим образуются бессмысленные триплеты. Синтез полипептида прекращается и белок имеет совсем иные свойства. УАГ. УАА. УГА. бессмысленные триплеты.

- делеция или вставка одного или нескольких нуклеотидов ведут за собой утрату или вставку одной или нескольких аминокислот в полипептиде. Эффекта может не быть. Если происходят делеция или вставка 1 нуклеотида (или другого числа нуклеотидов не кратного 3), наблюдается сдвиг рамки считывания, при этом нарушается структура полипептида. В организме происходит большое количество мутаций. Они затрагивают интеллект, поведение, метаболические признаки и т.д. мутации, изменяющие видимые морфологические признаки - видимые (мутация альбинизма).

- вставка нуклеотида.

- перестановка (инверсия) участка гена.

Последствия генных мутаций. Генные мутации, возникающие в гаметах или в будущих половых клетках, передаются всем клеткам потомков и могут влиять на дальнейшую судьбу популяции. Соматические генные мутации, происходящие в организме, наследуются только теми клетками, которые образуются из мутантной клетки путем митоза. Они могут оказать воздействие на тот организм, в котором они возникли, но со смертью особи исчезают из генофонда популяции. Мутации, нарушающие жизнь - летальные, полулетальные и сублетальные. Летальные - гибель зиготы или развившегося организма на определенной стадии эмбриогенеза - выкидыши. Полулетальные и сублетальные ослабляют жизнеспособность организма или отдельных клеток (например, брахидактилия - гомозиготы погибают).

№ 23. Хромосома, ее химический состав. Состоит из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс--хроматин. 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. Они прочно соединяются с молекулами ДНК, препятствуя считыванию заключенной в ней биологической информации; выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах. Число фракций негистоновых белков превышает 100. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.

Структурная организация хроматина:

Нуклеосомный уровень. 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). Молекула ДНК спирально накручивается на коры. 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. Диаметр 10--11 нм.

Нуклеомерный. 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 по типу соленоида - хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной. Диаметр 20--30 нм.

Петельный. Следующий уровень структурной организации генетического материала обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли. В их образовании 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. Участок ДНК, соответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 п. н. Диаметр 100--200 нм.

Эухроматин - меньшая плотность упаковки и высокая активность.

Гетерохроматин - компактная организация и генетическая инертность. В его пределах транскрипции биологической информации не происходит.

Метафазная хромосома. Вступление клетки из интерфазы в митоз сопровождается суперкомпактизацией хроматина (1:10000). Отдельные хромосомы становятся хорошо различимы. Диаметр 500--600 нм.

Морфология хромосом. Хромосома состоит из 2 хроматид, соединенных центромерой (кинетохором). Хромосомы бывают:

- метацентрические = равноплечие (центромера посередине);

- субметацентрические = неравноплечие (с центромерой, сдвинутой к одному из концов);

- акроцентрические (с центромерой, расположенной практически на конце хромосомы).

№ 24. Хромосомные мутации (хромосомные аберрации) - структурные перестройки, затрагивающие одну или несколько хромосом, все они связаны с потерей, либо с добавлением участка хромосомы. Аномалии по крупным хромосомам происходят значительно реже, чем по мелким. Самая маленькая хромосома - 21, нарушения ее строения встречаются чаще всего. Нехватка генетического материала переносится хуже, чем избыток. Если много эухроматина - нежизнеспособность ребенка, если преобладает гетерохроматин - тяжелые патологии (8,13,18,21,х хромосомы).

Дилеция - нарушение кроссинговера, при котором отдельные участки хромосом выпадают.

Р - длинное плечо, Q - короткое.

46,хх,5р - дилеция плеча 5 хромосомы. Синдром Кошачий крик. Широко расставленные глаза, физическое недоразвитие. Множественные пороки развития, недоразвита гортань - специфический крик.

Дупликация - удвоение части генетического материала.

Транслокация - обмен участками хромосом:

Реципрокные (обмен участками между негомологичными хромосомами). 46,ху,t(9,22) - миелолейкоз (рак крови).

Нереципроксные (между 2мя гомологичными хромосомами). Может не проявляться.

Робертсоновские: возникают при нарушениях деления акроцентрических хромосом. Разрыв по центромере, короткие части дегенерируют, длинные срастаются часто по 15 хромосоме (46,хх,15t - рак крови).

Инверсия - поворот участка на 180°. 46,хх,inv16. Может являться причиной нарушения процесса конъюгации (образование бивалента) во время мейоза, действуя как “ингибитор кроссинговера”, а в некоторых случаях приводя к формированию нежизнеспособных гамет.

Кольцевые хромосомы могут возникать по 16й и 18й хромосомам, терминальные концы разрываются и склеиваются. 46,хх,r18 - слабоумие, аномалии лица.

Фрагильность (ломкость) по Х-хромосоме. Понижение интеллекта.

Изохромосомы - разделение хромосомы неправильным путем. Чем больше возраст отца, тем, чаще встречается подобное нарушение.

Роль хромосомных мутаций. Приводят к физическим и психическим нарушениям развития. Дупликации играют особую роль в эволюции. Это связано с тем, что они увеличивают количество генетического материала и тем самым открывают возможность возникновения новых генов с новыми свойствами. Некоторые копии оказались полезными, и естественный отбор поддерживал их в популяциях. Были нейтральные копии, присутствие которых никак не сказывалось на приспособленности их носителей, они становились резервом эволюции. Со временем они могли приобретать новые функции и становиться все более и более уникальными. Пример - многочисленное и разнообразное семейство генов глобинов млекопитающих. Анализ последовательности нуклеотидов в этих генах показывается, что все они произошли в результате серии последовательных удвоений одного-единственного гена. За каждым удвоением следовало накопление случайных мутаций и постепенное изменение их функций, синтезируемых ими белков > усложнение организмов.

№ 25. Геном, кариотип. Геном - совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида. При оплодотворении геномы родителей объединяются и образуют клеточный генотип зиготы. Кариотип - диплоидный набор хромосом, характеризующийся совокупностью признаков: число, форма, размер, особенности строения хромосом. Постоянство кариотипа поддерживается механизмам и митоза и мейоза. Каждый вид организмов обладает характерным и постоянным набором хромосом. Если число хромосом в гаплоидном наборе половых клеток обозначить п, то общая формула кариотипа будет выглядеть как 2п, где значение п различно у разных видов. 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). Чаще различия касаются строения половых хромосом, обозначаемых разными буквами --X и Y (XX или XY). Идиограмма - схематическое изображение гаплоидного набора хромосом организма, которые располагают в ряд в соответствии с их размерами.

Характеристика кариотипа человека в норме. 46,XX (женский) и 46,XY (мужской).

Классификация хромосом человека по размеру и расположению центромеры:

Гр. хромосом Номер по кариотипу Характеристика хромосом

А(I) 1,2,3 1 и 3 почти метацентрические и 2--крупная субметацентрическая

В(II) 4,5 крупные субакроцентрические

С(III) 6--12 средние субметацентрические

A(lV) 13--15 средние акроцентрические

E(V) 16-18 мелкие субметацентрические

F(VI) 19--20 самые мелкие мегацентрические

G(VII) 21--22 самые мелкие акроцентрические

Х-хромосома (относится к III группе) 23 средняя почти метацентрическая

Y-хромосома 23 мелкая акроцентрическая

№ 26. Геном - совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида.

Геном состоит из 3-х с лишним миллиардов нуклеотидов. У человека 35 тыс. генов, хранящих информацию обо всех частях нашего тела и их функции.

Структурные гены содержат информацию о структуре полипептидной цепи (структурных белках).

Регуляторные гены определяют место, время, длительность включения структурных генов.

Регуляция экспрессии генов у прокариот. Французские микробиологи Ф. Жакоб и Ж. Моно (1961) - оперонная модель регуляции транскрипции. Оперон -- это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, которые осуществляют последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита.

Жакоб и Моно разделили гены регуляторной системы на два типа - гены-регуляторы и гены-операторы. Они предложил, что есть участок молекулы ДНК с группой структурных генов. К этой группе примыкает участок в 200пар нуклеотидов - промотор (участок примыкания ДНК зависимой РНК-полимеразы). К этому участку примыкает ген-оператор. Название всей системы - оперон. Регуляция осуществляется регуляторным геном. В итоге белок-репрессор взаимодействует с геном-оператором, и оперон начинает работать. Субстрат взаимодействует с геном регуляторами, оперон блокируется. Принцип обратной связи. Экспрессия оперона включается как единое целое.

У эукариот экспрессия генов не исследована. Причина - серьезные препятствия:

-организация генетического материала в форме хромосом.

- у многоклеточных организмов клетки специализированы и поэтому часть генов выключена.

- наличие гистоновых белков, в то время как у прокариот - «голая» ДНК.

№ 27. Геномные мутации - это изменение числа хромосом в геноме клетки.

Механизмы возникновения:

1. Нерасхождение хромосом во время мейоза или во время митотического деления соматических клеток на этапах дробления зиготы. В последнем случае наблюдается явление под названием мозаицизм: в организме развиваются клетки трех популяций -- нормальные клетки, клетки-трисомики и клетки-моносомики.

2. Потеря отдельной хромосомы вследствие так называемого "хромосомного отставания" во время митотического деления клеток зародыша. При этом в организме появляется две популяции клеток: нормальные и клетки-моносомики.

3. Полиплоидизация -- увеличение количества наборов хромосом (более двух). Отсутствие цитокинеза.

4. Изменение количества хромосом без изменения количества наследственного материала -- робертсоновские перестройки: а) центрическое слияние, б) центрическое деление хромосом.

Полиплоидия - наследственное изменение, связанное с кратным увеличением основного числа хромосом в клетках организма. Полиплодия широко распространена у растений (более крупные размеры, повышенное содержание ряда веществ, лучшая устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды и т.п.) Различают два типа полиплоидов: аутополиплоиды - кратное увеличение наборов хромосом одного и того же вида и аллополиплоиды - соединение наборов хромосом разных организмов.

Анеуплоидия (гетероплоидия) - изменение генома, связанное с добавлением к набору одной или более хромосом или с их утратой. Трисомия -- наличие трёх гомологичных хромосом в кариотипе. Моносомия -- наличие только одной из двух гомологичных хромосом. При моносомии по любой из аутосом нормальное развитие эмбриона невозможно. Единственная совместимая с жизнью моносомия у человека -- по хромосоме X -- приводит к развитию синдрома Шерешевского--Тернера (45,Х0).

Значение. Возникновение геномных мутаций у млекопитающих известно только в качестве аномалий и приводит к гибели эмбриона на ранних стадиях развития. Однако изредка вследствие нерасхождения половых хромосом либо при одном, либо при двух делениях мейоза, возникает так называемая трисомия - XXY; а также моносомия -- ХО, вызывающая серьезные гормональные нарушения у плода. Эволюция. В ряде случаев они позволяют увеличить набор генов, повышая генетическое богатство популяции.

Вопроса № 28 нет в билетах.

№ 29 Эволюция генома. Связана с нарастающим увеличением количества ДНК. Это увеличение наблюдается в процессе прогрессивной эволюции эукариот. На фоне такого увеличения большая часть ДНК является молчащей. Наиболее резко размер генома изменяется в результате полиплоидизации. По-видимому, в ходе эволюции в результате накопления мутаций и ивергенции нуклеотидных последовательностей полиплоидизация сопровождалась переходом к диплоидному состоянию. Если бы увеличение объема генома происходило только в результате полиплоидизации, то в природе должно было бы наблюдаться скачкообразное изменение его размеров. На самом деле этот процесс демонстрирует плавное увеличение содержания ДНК в геноме.

Значение имеют хромосомные перестройки: такие, как дупликации, делении и транслокации. Они обусловливают повторение, утрату некоторых последовательностей в составе хромосомы или перенос их в другие хромосомы.

Важный механизм - амплификация нуклеотидных последовательностей, которая заключается в образовании их копий, что приводит к возникновению повторяющихся участков ДНК. Особенностью генома эукариот является наличие таких повторов в большом количестве, свидетельствующее о существенном вкладе механизма амплификации в увеличение размеров наследственного материала. Причины амплификации: неравный кроссинговер > многократные дупликации отдельных участков ДНК. Возможна амплификация путем вырезания фрагмента с последующей его репликацией вне хромосомы и встраиванием копий в другие хромосомы. Пример: около 1100 млн. лет назад произошла дупликация гена - предшественника, давшая начало гемоглобиновым и миоглобиновым генам. Позднее, около 500 млн. лет назад, на ранней стадии эволюции позвоночных произошла дупликация, давшая начало двум (б и в) семействам глобиновых генов, сопровождавшаяся транслокацией. Примерно 200 млн. лет назад очередная дупликация привела к возникновению в семействе в-глобиновых генов генов в- глобинов плодов и взрослых. Около 100 млн. лет назад произошло образование е- и г-глобиновых генов и, наконец, 40 млн. лет назад появились д- и в-глобиновые гены.

Подвижные генетические элементы - транспозоны. Они представляют собой автономные единицы, несущие в нуклеотидной последовательности информацию о структуре особых белков, которые обеспечивают их способность к перемещению из одного участка генома в другой. Такое перемещение - транспозиция - может происходить в строго определенные участки хромосом, узнаваемые этими специфическими белками. Транспозиция предполагает репликацию нуклеотидной последовательности подвижного генетического элемента и встраивание копии в ДНК-мишень с сохранением другой копии в прежнем месте. В результате таких перемещений могут активироваться ранее не активные гены, и наоборот.

Роль горизонтального переноса генетического материала в эволюции генома. Может происходить и между организмами разных видов, одновременно существующими на Земле. В настоящее время доказана возможность изменения наследственных свойств у бактерий путем введения в бактериальную клетку чужеродной ДНК при конъюгации или с помощью фагов. Чужеродную ДНК можно ввести и в эукариотическую клетку, где она будет сохраняться как внехромосомный элемент или интегрироваться в геном и экспрессироваться. Гены могут переходить от одного эукариотического организма к другому и даже от эукариот к прокариотам, хотя это происходит крайне редко. Ведущая роль в горизонтальном переносе генетической информации принадлежит вирусам. В настоящее время широко обсуждается роль ретровирусов, наследственный материал которых представлен молекулой РНК, в перенесении информации от клетки к клетке. Но подобное явление происходит крайне редко, так как необходимость взаимного приспособления генов в геноме ограничивает возможность встраивания в него чужеродных функциональных последовательностей.

Секвенирование генома. Секвенирование биополимеров (белков и нуклеиновых кислот -- ДНК и РНК) -- определение их первичной аминокислотной или нуклеотидной последовательности.

Чтение первого генома человека заняло 15 лет. Вслед за этим последовали секвенции-последовательности отдельных хромосом и создание машин-секвенаторов следующего поколения.

№30 Размножение - приспособление организмов к продолжению жизни. Размножение связано на молекулярном уровне с репликацией ДНК.

Бесполое размножение характеризуется тем, что новая особь развивается из неполовых, соматических клеток. Участвует только одна исходная особь. В этом случае организм может развиться из одной клетки, а возникшие потомки по своим наследственным признакам идентичны материнскому организму. Бесполое размножение широко распространено среди растений и значительно реже встречается у животных. Многие простейшие размножаются путем обычного митотического деления клетки - путем деления материнской клетки пополам (бактерии, эвглены, амебы, инфузории). Спорообразование. Оно заключается в том, что клетка распадается на большое число особей в результате многократного деления ее ядра (малярийный плазмодий). Многоклеточные организмы также способны к спорообразованию: у грибов, водорослей, мхов и папоротникообразных споры и зооспоры образуются в специальных органах -- спорангиях и зооспорангиях. Один из способов - почкование.

Половое. Преемственность поколений и 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.

Преимущества полового размножения:

1. Способность популяции к более быстрому изменению.

2. Облегчение видообразования.

3. Большое генетическое разнообразие в потомстве облегчает адаптацию к непредсказуемым условиям среды.

Это обусловлено тем, что генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. При партеногенезе, когда развитие нового организма происходит только из яйцеклетки, в ней возникает новая комбинация генов в результате кроссинговера и независимого комбинирования хромосом.

В половых железах развиваются половые клетки -- гаметы. Мужские гаметы созревают в мужских половых железах -- семенниках; этот процесс называется сперматогенезом. Женские гаметы созревают в яичниках в процессе овогенеза. В процессе образования половых клеток -- как сперматозоидов, так и яйцеклеток -- выделяют ряд стадий: зону размножения, зону роста и зону созревания; в зоне созревания гаметы окончательно формируются путем мейоза.

№31. Гаметогенез. Сперматогенез. Морфологически семенник состоит из множества семенных канальцев. Дольчатое строение. Между семенными канальцами - клетки Лейдинга (начинают работу в 12-14 лет) синтезируют тестостерон - развитие вторичных половых признаков. Семенник очень рано становится эндокринным органом, под влиянием андрогенов происходит формирование мужских половых органов. Семенной каналец имеет зоны:

-размножения,

-роста,

-созревания и формирования.

Существуют одноименные периоды роста. Зона размножения в наружной части семенника. Клетки округлые, цитоплазмы много, ядро большое - сперматогонии. Они размножатся митозом, и семенник увеличивается в размерах до полового созревания, после - делятся только стволовые клетки. Запас клеток не уменьшается и семенник тоже не уменьшается. В зоне размножения 2n2c.следующая фаза - роста. Увеличивается размер ядра, цитоплазмы, идет репликация ДНК (интерфаза 1), клетки - сперматоциты первого порядка 2n4c. Эти клетки вступают в зону формирования и созревания у семенных канальцев. Мейоз состоит из 2 митотических делений, после первого деления n2c, после второго - nc.

Овогенез (яичники). Половые железы закладываются на 2м месяце эмбрионального развития. У человека очень рано закладывается желточный мешок (функция формирования первичных половых клеток, обеспечение питательными веществами). Половые клетки (первичные) мигрируют в развивающуюся половую железу, а желточный мешок дегенерирует. В эмбриогенезе яичники не активны. Формирование женских половых клеток пассивное. Первичные половые клетки - овогонии, они делятся. Формируются овоциты первого порядка. Период деления оканчивается к 7му месяцу эмбриогенеза - 7000000 первичных клеток. 400-500 созревают в течение жизни, остальные невостребованы. Развитие яйцеклеток у человека блокируется в профазе первого мейотического деления (на стадии диплотены). С наступлением половой зрелости овоцит увеличивается в размере, растет и размер желтка. Накапливаются пигменты, происходят биохимические и морфологические изменения. Каждый овоцит окружается мелкими фолликулярными клетками, созревающими в фолликуле. Яйцеклетка, созревая, приближается к периферии. Фолликулярная жидкость окружает её на всех этапах. Фолликул разрывается. Яйцеклетка попадает в брюшную полость. Затем в воронку яйцевода. Продолжение мейоза в 2/3 яйцевода в результате контакта яйцеклетки со сперматозоидом.

При мейозе идет распределение хромосом. В результате 4 ядра. Происходит конъюгация хромосом (за счет высоко повторяющихся последовательностей ДНК в 1ген). Каждое из 4х ядер при гаметогенезе получает только 1 хроматиду из пары. В результате мейоза при сперматогенезе из каждого спермацита первого порядка получаются 4 хроматиды и формируются 4 сперматозоида. Из одного овоцита первого порядка образуются 2 ядра с гаплоидным набором хромосом. Одно из них, с большим количеством цитоплазмы (т.к. при цитокинезе разделение идет неравномерно) и другое - редукционное (направляющее) тельце. При последующем делении образуются яйцеклетка и направляющее тельце. При овогенезе из каждого овоцита формируется 1 яйцеклетка и 3 направляющих тельца, которые дегенерируют и исчезают. В яйцеклетке есть все необходимые запасы питательных веществ.

Мейоз - способ деления диплоидных клеток с образованием из одной материнской диплоидной клетки четырех дочерних гаплоидных клеток. Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра и короткой интерфазы между ними.

Первое деление состоит из профазы I, метафазы I, анафазы I и телофазы I.

В профазе I парные хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид, подходят друг к другу (этот процесс называется конъюгацией гомологичных хромосом), перекрещиваются (кроссинговер), образуя мостики (хиазмы), затем обмениваются участками. При кроссинговере осуществляется перекомбинация генов. После кроссинговера хромосомы разъединяются.

В метафазе I парные хромосомы располагаются по экватору клетки; к каждой из хромосом прикрепляются нити веретена деления.

В анафазе I к полюсам клетки расходятся двухроматидные хромосомы; при этом число хромосом у каждого полюса становится вдвое меньше, чем в материнской клетке.

Затем наступает телофаза I - образуются две клетки с гаплоидным числом двухроматидных хромосом; поэтому первое деление мейоза называют редукционным.

После телофазы I следует короткая интерфаза (в некоторых случаях телофаза I и интерфаза отсутствуют). В интерфазе между двумя делениями мейоза удвоения хромосом не происходит, т.к. каждая хромосома уже состоит из двух хроматид.

Второе деление мейоза отличается от митоза только тем, что его проходят клетки с гаплоидным набором хромосом; во втором делении иногда отсутствует профаза II.

В метафазе II двухроматидные хромосомы располагаются по экватору; процесс идет сразу в двух дочерних клетках.

В анафазе II к полюсам отходят уже однохроматидные хромосомы.

В телофазе II в четырех дочерних клетках формируются ядра и перегородки (в растительных клетках) или перетяжки (в животных клетках). В результате второго деления мейоза образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом (1n1c); второе деление называют эквационным (уравнительным) (рис. 18). Это - гаметы у животных и человека или споры у растений.

...