Тема: «История развития и основные достижения современной генетики.
Урок № 1
Цитологические основы наследственности»
План лекции:
1. Место дисциплины «Медицинская генетика» в модуле общепрофессиональных дисциплин.
2. История развития и основные достижения современной генетики. Организация медико-генетической помощи в городе Ульяновске и Ульяновской области.
3. Цитологические основы наследственности.
Основные компоненты эукариотической клетки.
- плазматическая мембрана;
- органеллы мембранного происхождения;
- органеллы немембранного происхождения;
- строение ядра.
Строение хромосом и понятие о кариотипе человека.
Материалы лекции;
1.Место дисциплины «Медицинская генетика» в ОПОП специальности сестринское дело.
2.История развития и основные достижения современной генетики. Организация медико-генетической помощи в городе Ульяновске и Ульяновской области.
Генетика – наука о законах наследственности и изменчивости живых организмов. Под наследственностью понимают свойство организмов повторять в ряду поколений признаки, сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. Другими словами, наследственность обеспечивает воспроизведение нового поколения в строгих формах исходного вида за счёт передачи наследственной информации о признаках и свойствах. Изменчивость – прямо противоположное свойство. Благодаря ему у потомства появляются новые признаки. Изменённая наследственная информация передаётся в последующем от поколения к поколению.
Наследственность как свойство всех организмов интересовала людей с древних времён. Но только в XIX в. это явление стали объективно изучать. Определяющий вклад в понимание механизмов наследования признаков внёс чешский исследователь Грегор Иоганн Мендель. Его можно считать основателем научной генетики. В 1866 г. Г. Мендель опубликовал результаты экспериментов на горохе, в которых показал, что наследственность передаётся через половые клетки в виде дискретных факторов от одного поколения к другому, не смешиваясь и не растворяясь. Эти законы были приняты (переоткрыты) только в 1900 г. Этот год и считается годом рождения генетики как науки.
В последующие 100 лет к наиболее значимым открытиям в генетике можно отнести:
- обоснование хромосомной теории наследственности (1910-1920 гг.);
- доказательства информационной роли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и расшифровка её стереохимической структуры (1930-1953 гг.);
- расшифровка генетического кода и генетических механизмов синтеза белка (60-е годы XX в.);
- создание технологий рекомбинантных ДНК (генная инженерия, 70-е годы XX в.);
- расшифровка геномов организмов (1980-1990 гг.).
В каждом десятилетии XX в. в генетике совершались важные открытия. Постепенно эта наука заняла ключевые позиции и лидирующее положение в фундаментальной биологии.
Наследственность и изменчивость являются первичными неотъемлемыми свойствами живых организмов. Они лежат в основе всех жизненных проявлений. Без наследственности и изменчивости невозможна была бы эволюция жизни на Земле. Человек является «продуктом» длительной эволюции живой природы. В его формировании как биологического вида Человека разумного (Homo sapiens) отражены все общебиологические закономерности.
Генетика человека наряду с морфологией, физиологией биохимией является теоретическим фундаментом современной медицины. Она изучает явления наследственности и изменчивости у человека на всех уровнях его организации и существования: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. В своём развитии генетика человека постоянно «подпитывалась» из общебиологических концепций (эволюционное учение, онтогенез), из генетических открытий (менделизм, хромосомная теория наследственности, информационная роль ДНК), из достижений теоретической и клинической медицины.
Медицинская генетика изучает роль наследственности в возникновении патологии человека, закономерности передачи наследственных болезней, разрабатывает методы диагностики, лечения и профилактики всех форм наследственной патологии. В этом направлении синтезируются достижения и в медицине, и в генетике. Такой синтез направлен на борьбу с болезнями и улучшение здоровья людей.
Медицинская генетика отвечает на конкретные вопросы. Какие наследственные механизмы поддерживают гомеостаз организма и определяют здоровье индивида? Каково значение наследственных факторов в этиологии болезней? Каково соотношение наследственных и средовых (ненаследственных) факторов в патогенезе болезней? Какова роль наследственных факторов в определении клинической картины болезней (и наследственных, и ненаследственных)? Влияет ли (и если влияет, то как) наследственная конституция на процесс выздоровления и на исход болезни? Какие наследственные факторы определяют специфику фармакологического и других видов лечения?
В настоящее время медицинская генетика интенсивно развивается в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая генетика, экогенетика.
В результате столетнего пути развития генетики человека как науки сложились основные положения медицинской генетики, знание которых обязательно образованному медицинскому работнику.
1. Наследственные болезни являются частью общей наследственной изменчивости человека. Нет резкой границы между наследственной изменчивостью, ведущей к вариациям нормальных признаков, и изменчивостью, вызывающей наследственные болезни. В одних и тех же генах могут возникать и нейтральные, и патологические мутации.
2. В развитии наследственных признаков или болезней участвуют наследственная конституция (генотип) и внешняя среда. Во всех жизненных проявлениях между наследственностью и средой всегда имеется взаимодействие. Хотя для развития одних признаков или болезней определяющую роль играет наследственность (генотип), а для развития других существенное значение имеет внешняя среда, нет таких признаков, которые бы зависели только от наследственности или только от среды.
3. Человечество «отягощено» огромным «грузом» разнообразных мутаций, накопление которых протекало в процессе длительной эволюции. Постоянно протекающий мутационный процесс поставлял новые мутации в генофонд человечества, а естественный отбор либо сохранял и умножал их число, либо приводил к исчезновению.
4. Наследственная «отягощённость» современного человечества состоит из двух компонентов. Одни – это накопленные в процессе эволюции и истории человечества патологические мутации, другой – вновь возникающие наследственные изменения в половых клетках. Количественный объём вновь возникающих мутаций может увеличиваться под влиянием мутагенных факторов среды (ионизирующая радиация, химические вещества и другие факторы).
5. Среда обитания человека в широком смысле слова, границы браков, планирование семьи резко изменились. Человек сталкивается с новыми факторами среды, ранее никогда не встречавшимися на протяжении всей его эволюции, а также испытывает большие нагрузки социального и экологического характера. Это приводит к появлению новых видов наследственной патологии – экогенетическим болезням. Расширился круг потенциальных брачных партнёров, широких масштабов достигла миграция населения – всё это меняет генетическую структуру популяции человека. В то же время популяционный процесс обладает большой силой инерции, и поэтому не следует ожидать, что мутационный процесс и экогенетические реакции могут в короткий срок (одно – два поколения) вызвать «взрыв» наследственности человека или резкий подъём частоты наследственных болезней.
6. Прогресс медицины и общества приводит к увеличению продолжительности жизни больных наследственными заболеваниями, восстановлению у них репродуктивной функции и, следовательно, к увеличению их числа в популяции. Больной или носитель патологического задатка является полноправным членом общества и имеет равные права со здоровым человеком. Такие концепции, как евгеника, вырождение семей с наследственной патологией, неизлечимость наследственных болезней, запрещение браков или стерилизация по генетическим показаниям, ушли в прошлое. В диагностике, лечении и профилактике наследственных болезней современная медицина обладает большими возможностями, которые в будущем станут ещё больше.
Значение генетики для медицины трудно переоценить. Во-первых, как часть теоретического фундамента медицины генетика расширяет и углубляет биологическое мышление специалиста. Будущий медицинский работник через понимание законов наследственности и изменчивости должен реально представлять все стадии индивидуального развития человека (от оплодотворения до старости) под углом зрения наследственной программы в конкретных условиях среды. Генетические знания необходимы для понимания новых методов диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней, создания новых вакцин и лекарств методами генной инженерии.
Во-вторых, достижения медицинской генетики как клинической дисциплины эффективно внедряются во все разделы медицинской помощи и здравоохранения (больничная, поликлиническая, диспансерная службы). Наследственные заболевания занимают существенное место в работе каждого врача и медицинской сестры в связи с их частотой и тяжестью. Известно уже более 10 000 наследственных признаков, почти половину из которых составляют наследственные болезни, поражающие все органы, системы и функции организма. Около 5 % детей рождаются с наследственными и врождёнными болезнями. С возрастом меняется «профиль» наследственной патологии, но «груз» её не уменьшается. Дети с неизлечимыми формами наследственных болезней или тяжёлыми врождёнными пороками умирают. Казалось бы, что за счёт летальности в детском возрасте частота наследственных болезней должна была бы уменьшаться. Однако этого не наблюдается, потому что в пубертатном возрасте и позже развиваются новые болезни. После 20-30 лет начинают проявляться наследственные заболевания у взрослых, главным образом – болезни с наследственной предрасположенностью. Не менее 25 % всех больничных коек заняты пациентами, страдающими заболеваниями с наследственной предрасположенностью, такими как гипертоническая болезнь, ишемическая болезнь сердца, псориаз, бронхиальная астма, рассеянный склероз, глаукома.
Таким образом, наследственная патология может «преследовать» человека на всех этапах его жизни: от рождения до старости. Следовательно, медицинская помощь и психологическая поддержка должны оказываться не только больному, но и его семье. В этом чрезвычайно важном деле неоценима роль медицинской сестры.
Наследственные болезни длительное время не поддавались лечению, а единственным методом профилактики была рекомендация воздержаться от деторождения.
Современная медицинская генетика вооружила клиницистов методами ранней пренатальной диагностики наследственных болезней. Интенсивно развиваются (и в некоторых центрах уже применяются) методы преимплантационной (до имплантации зародыша) диагностики.
Понимание молекулярных механизмов патогенеза наследственных болезней и высокие медицинские технологии обеспечили успешное лечение многих форм этой патологии.
Сложилась стройная система профилактики наследственных болезней: медико-генетическое консультирование, пренатальная диагностика, массовая диагностика у новорожденных наследственных болезней обмена, поддающихся диетической и лекарственной коррекции, диспансеризация больных и членов их семей. Внедрение этой системы обеспечивает снижение частоты рождения детей с врождёнными пороками развития и наследственными болезнями на 60-70 %.
Медицинская сестра и фельдшер вместе с врачом активно участвуют в реализации достижений медицинской генетики на практике, ради счастливой семьи со здоровым потомством.
3.Цитологические основы наследственности.
Основные компоненты эукариотической клетки.
Строение и функции эукариотической клетки
| Название | Строение | Функции |
| I. Поверхностный аппарат | ||
| 1. Мембрана | Два слоя липидов и белки (интегральные, полуинтегральные и периферические) | 1. Взаимодействие с внешней средой. 2. Обеспечение клеточных контактов. 3. Транспортная: а) пассивный транспорт: диффузия, осмос, облегчённая диффузия, через поры; б) активный транспорт; в) экзоцитоз и эндоцитоз (фагоцитоз, пиноцитоз). 4. Полупроницательность. |
| 2. Надмембранный комплекс: а) Гликокаликс | Белковые и липидные молекулы, связанные с углеводными цепями | Рецепторная |
| б) Клеточная стенка у растений | Целлюлоза | 1. Структурная 2. Защитная 3. Обеспечивает тургор клетки |
| 3. Субмембранный комплекс | Кортикальный слой и фибриллярные структуры | Обеспечивает механическую устойчивость плазматической мембраны |
| II. Цитоплазма 1. Гиалоплазма (цитозоль) | Коллоидный раствор белков и множество белковых филаментов | 1. Протекание ферментативных реакций. 2. Синтез аминокислот. 3. Синтез жирных кислот. 4. Формирование цитоскелета. 5. Обеспечение движения цитоплазмы (циклоза). |
| 2. Органеллы: А) Одномембранные Эндоплазматическая сеть: | Система мембран, образующих цистерны, каналы | 1. Транспорт веществ внутри и вне клетки. 2. Разграничение ферментных систем. 3. Место образования одномембранных органелл: аппарата Гольджи, лизосом, вакуолей. |
| - гладкая | нет рибосом | Синтез липидов, стероидов. |
| - шероховатая | есть рибосомы | Синтез белков: 1. Образование лизосом. 2. Секреторная. 3. Накопительная. 4. Укрупнение белковых молекул. 5. Синтез сложных углеводов. |
| - Аппарат Гольджи | Плоские цистерны, диски, пузырьки (вакуоли) | |
| Лизосомы: а) Первичные б) Вторичные | Пузырьки, ограниченные мембраной, содержащие ферменты | 1. Участие во внутриклеточном пищеварении. 2. Защитная. |
| 1) Пищеварительные вакуоли | Первичная лизосома + фагосома | 3. Эндогенное питание. |
| 2) Остаточные тельца | Вторичная лизосома, содержащая непереваренный материал | 4. Накопление веществ. |
| 3) Аутолизосомы | Первичная лизосома + разрушенные органеллы клеток | 5. Аутолиз органелл. |
| Вакуоль | У растений мелкие пузырьки, отделённые от цитоплазмы мембраной. Полость заполнена клеточным соком | 1. Поддержание тургора клетки. 2. Запасающая. |
| Пероксисомы | Мелкие пузырьки, содержащие ферменты, нейтрализующие перекись водорода | 1. Участие в реакциях обмена. 2. Защитная. |
| Б) Двумембранные | ||
| Митохондрии | Внешняя мембрана, внутренняя мембрана с кристами, матрикс, содержащий ДНК, РНК, ферменты, рибосомы | 1. Клеточное дыхание. 2. Синтез АТФ. 3. Синтез белков митохондрий. |
| Пластиды: | ||
| Хлоропласты | Внешняя и внутренняя мембраны, строма. В строме мембранные структуры – ламеллы, образующие диски – тилакоиды, собранные в стопки – граны, содержащие пигмент – хлорофилл. В строме – ДНК, РНК, рибосомы, ферменты. | 1. Фотосинтез. 2. Определение окраски листьев, плодов. |
| Хромопласты | Содержат жёлтые, красные, оранжевые пигменты | Определение окраски плодов, листьев, цветов |
| Лейкопласты | Не содержат пигментов | Накопление запасных питательных веществ |
| В) Немембранные органеллы | ||
| Рибосомы | Имеют большую и малую субъединицы | Синтез белка |
| Микротрубочки | Трубочки, образованные белком тубулином, диаметром 24 нм | 1. Участие в образовании цитоскелета. 2. Участие в делении ядра. |
| Микрофиламенты | Нити белка актина длиной 6 нм | 1. Участие в образовании цитоскелета. 2. Образование кортикального слоя под плазматической мембраной. |
| Клеточный центр | Центросфера – участок цитоплазмы и две центриоли, образованные девятью триплетами микротрубочек, перпендикулярными друг другу | Участие в делении клетки |
| Органеллы специального назначения: | ||
| реснички и жгутики | Выросты цитоплазмы. В основании находятся базальные тельца. На поперечном срезе ресничек и жгутиков по периметру расположено девять пар микротрубочек и одна пара в центре | Участие в передвижении |
| 3. Включения | Капли жира, глыбки гликогена, гемоглобин эритроцитов | 1. Запасающая. 2. Секреторная. 3. Специфическая. |
| III. Ядро | Имеет двумембранную оболочку, кариоплазму, ядрышко, хроматин | 1. Регуляция активности клеток. 2. Хранение наследственной информации. 3. Передача наследственной информации. 4. Определение специфичности белков в цитоплазме. |
| 1. Ядерная оболочка | Имеет две мембраны. Между мембранами – перинуклеарное пространство. Есть поры. Связана с ЭПС. | 1. Отделяет ядро от цитоплазмы. 2. Регулирует транспорт веществ в цитоплазму. |
| 2. Кариоплазма | Содержит раствор белков, нуклеотидов, в ней присутствуют фибриллярные белки | Обеспечивает нормальное функционирование генетического материала |
| 3. Ядрышки | Мелкие тельца округлой формы, содержат РНК | Синтез РНК |
| 4. Хроматин | Мелкозернистые гранулы, состоящие из ДНК и белка | Образуют хромосомы при делении клетки |
| Хромосомы: | Плечи хромосомы соединены центромерой, может быть вторичная перетяжка, отделяющая спутник. Плечи оканчиваются теломерами. | Деление клетки |
| Метацентрические хромосомы Субметацентрические хромосомы Акроцентрические хромосомы | Плечи равные Плечи неравные Второе плечо почти незаметно |
Строение хромосом и понятие о кариотипе человека.
Хромосома – это интенсивно окрашенное тельце. Общая длина молекулы ДНК в хромосоме человека (средней по размерам) достигает примерно 4 см, а суммарная длина этих молекул в клетке с диплоидным (двойным) набором – около 180 см. Благодаря спирализации ДНК и упаковке белками длинная молекула ДНК укорачивается примерно в 5000 раз.
Хромосомы формируются в начале деления клеток. Однако удобнее их изучать в метафазе митоза, когда хромосомы располагаются в плоскости экватора и хорошо видны в световой микроскоп, так как в этот момент ДНК достигает максимальной спирализации. Метафазные хромосомы состоят из двух сестринских хроматид (удвоенных молекул ДНК), соединённых друг с другом в области первичной перетяжки – центромеры. Центромера делит хромосому на два плеча. В зависимости от расположения центромеры хромосомы бывают:
1) метацентрические – центромера расположена по середине и плечи примерно равной длины;
2) субметацентирческие – центромера смещена от середины хромосомы и одно плечо несколько короче другого;
3) акроцентрические – центромера расположена близко к концу хромосомы и одно плечо значительно короче другого.
В некоторых хромосомах есть вторичные перетяжки, отделяющие от плеча хромосомы участок, называемый спутником.
Правила хромосом. 1. Правило постоянства числа хромосом – соматические клетки организма каждого вида имеют строго определённое число хромосом (у человека – 46).
2. Правило парности хромосом – каждая хромосома в соматических клетках с диплоидным набором имеет такую же гомологичную (одинаковую) хромосому, идентичную по размерам, форме, но не одинаковую по происхождению: одну – от отца, другую – от матери.
3. Правило индивидуальности хромосом – каждая пара хромосом отличается от другой пары размерами, формой, которая зависит от расположения центромеры, чередованием светлых и тёмных полос, которые выявляются при дифференциальной окраске.
4. Правило непрерывности – перед делением клетки ДНК удваиваются: к каждой из двух исходных нитей достраиваются по принципу комплементарности новые нити ДНК, в результате образуются две молекулы ДНК, из которых получаются две сестринские хроматиды. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде, таким образом, хромосомы непрерывны: хромосома от хромосомы.
Все хромосомы подразделяют на аутосомы и половые хромосомы.
Половые – это хромосомы, определяющие формирование мужского и женского полов.
Аутосомы – все хромосомы в клетках, за исключением половых хромосом.
В соматических клетках присутствует диплоидный (двойной) набор хромосом, в половых – гаплоидный (одинарный).
Совокупность хромосом клетки, характеризующаяся их числом, размером и формой, называется кариотипом.
Для того чтобы легче разобраться в сложном комплексе хромосом, составляющих кариотип, их располагают в виде идиограммы.
Идиограмма (от греч. idios – своеобразный, gramme – запись) – это систематизированный кариотип. По Денверской классификации (Денвер, США, 1960 г.) хромосомы располагаются попарно по мере убывания их величины, с учётом положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников. Исключением являются половые хромосомы, которые выделяются особо. В основу Парижской классификации (1971 г.) положена дифференциальная окраска хромосом, при которой в каждой паре хромосом выявляется характерный только для неё уникальный порядок чередования тёмных и светлых полос гетеро- и эухроматиновых районов.
4.Патология клетки.
В клетках многоклеточного организма под воздействием различных факторов иногда возникают структурно-функциональные изменения, приводящие к нарушениям жизненных функций – к патологии.
Нарушения могут быть вызваны изменением обменных процессов, идущих в клетке, сопровождающихся накоплением продуктов обмена (дистрофией). Такие нарушения чаще всего обусловлены недостаточностью выработки ферментов, необходимых для протекания биохимических реакций. Могут возникать ультраструктурные изменения органелл клеток (митохондрий, эндоплазматической сети и др.).
При подагре, связанной с нарушением обмена нуклеотидов, происходит избыточное образование мочевой кислоты, соли которой выпадают в тканях (хрящах, сухожильных влагалищах), вызывая некроз и воспалительные реакции.
Избыточное отложение гликогена в печени, почках, сердце, скелетных мышцах встречается при гликогенозах, наследственных заболеваниях, вызванных дефектом ферментов, обеспечивающих нормальный обмен гликогена.
Нерегулярный рост клеток лежит в основе образования опухолей. Ядро опухолевой клетки богато хроматином, распределённым неравномерно, количество хромосом увеличено, появляются нарушения в строении хромосом, имеется несколько ядрышек. В цитоплазме увеличивается количество рибосом, изменяется величина и форма митохондрий, обнаруживаются различные включения. В опухолевых клетках выявляются тесные мембранные контакты ядра, митохондрий, эндоплазматической сети.