Некоторые открытия в генетике

· 1981-1982 гг. – работы с трансгенными мышами и дрозофилой.

· 1983 г. – первое картирование гена при моногенном заболевании (болезнь Гентингтона – картирование ге­нетического маркера на 4 хромосоме – 4р¹⁶³).

· 1983 г. – внедрение ПЦР.

· 1986 г. – первое позиционное клонирование наслед­ственных заболеваний (хронический гранулоцитоз – CGD ген на 21 хромосоме, миопатия Дюшенна, ретинобластома).

· 1987 г. – первые генетические карты человека.

· 1989 г.– внедрение методов молекулярных маркеров

· (STS), создание физической карты хромосом.

· 1990 г. – начало международной программы «Геном человека» (в США с декабря 1984 г.).

· 1992 г. – создание генетической карты генома чело­века.

· 1994 г. – FLAVR SAVR tomato – первый генетичес­кий продукт (помидор).

· 1994 г. – создание детализированной карты генома человека (использовано 6 000 маркеров, 700 000 пар оснований детализировано).

· 1995 г. – расшифрован геном бактерий (Н. Influenza, Micoplasma genitalis).

· 1996г. – создана генетическая карта мыши, локали­зовано 16 000 генов человека.

· 1997 г. – секвенирован (секвенирование - определение нуклеотидной последовательности молекулы ДНК.) геном E-coli.

· 1998 г. – секвенирован геном круглых червей.

· 1999 г. – полностью секвенированы 545 генов на 22 хромосоме человека.

· 2000 г. – полностью секвенированы 225 генов на 21 хромосоме человека; на 90% расшифрована структура генома человека.

· 2001 г. – секвенирован геном мыши.

· 2003 г. – секвенирован геном человека.

· 2006 г. – объявлено о начале создания атласов гено­мов онкологических заболеваний (легких, головного моз­га, яичников).

· 2007 г. – идентифицированы генетические факторы риска болезни Альцгеймера, сахарного диабета второго типа.

Как известно, все живые организмы благодаря присущему им первичному свойству наследственности сохраняют в ряду поколений характерные для них черты, то есть воспроизводят себе подобных и передают эту преемственность из поколения в поколение в процессе размножения.

Клетка является основой строения любого организма, а при размножении – связующим звеном двух поколений. Клетки раз­ных организмов и в разных тканях очень разнообразны по размеру, форме, строению и функции, однако общая схема строения клетки одинаковая. Все клетки имеют оболочку, ее еще называют клеточной мембраной (плазмолемма). Она состоит из двойного слоя липидных молекул между двумя слоями белка. Через клеточную мембрану осуществляется активный и пассивный перенос различных веществ внутрь и наружу. Каждая клетка состоит из ядра, одного или нескольких ядрышек и цитоплазмы.

Цитоплазма животной клетки – сложно организованная сис­тема. В ней имеются органоиды: митохондрии, рибосомы, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы. Цитоплазма составляет основ­ную массу клетки. Она состоит из коллоидного раствора белков и других органических веществ: 85% – вода, 10% – белки и 5% – другие соединения. По своей структуре цитоплазма неоднородна. В ней рас­положены пластинчатые структуры или мембраны, которые образу­ют сложную систему плоских разветвленных каналов. Их называют эндоплазматической сетью или ретикулумом. По каналам ретикулума различные вещества проходят от наружной мембраны клетки к цитоплазме, органоидам и ядру.

Митохондрии – это сферические или палочковидные образова­ния сложной структуры. Они состоят из матрикса, окруженного внутренней мембраной, межмембранного пространства и наруж­ных мембран. В матриксе содержатся кольцевые молекулы ДНК, специфические РНК, гранулы солей кальция и маг­ния. Мембраны состоят из белков и фосфолипидов.

Митохондрии способны к самовоспроизведению. В митохондриях за счет окислительно-восстановительных процессов вырабатывается энергия, которая накапливается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата). Клеточное дыхание (использование клеткой кислорода) происходит при участии митохондрий.

Рибосомы – сложно организованные субмикроскопические гра­нулы, расположенные на мембранах эндоплазматической сети или свободно в цитоплазме. Рибосомы могут быть единичными или объединенными в комплексы – полирибосомы. В их состав входят белки и высокомолекулярные РНК примерно в равном количестве. Функцией рибосом является синтез белков.

В аппарате Голъджи накапливаются различные продукты клеточ­ного обмена и поступающие извне вещества. В его петлях проис­ходит концентрация веществ в капли или гранулы, которые затем выводятся за пределы клетки.

В цитоплазме клетки содержатся лизосомы. Они имеют вид мешоч­ков, покрытых мембраной, содержат ферменты, расщепляющие нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды. Лизосомы являются «пищеварительной системой» клетки. В случае разрушения мембра­ны лизосомы могут переваривать и содержимое цитоплазмы клетки – автолизис (самопереваривание).

Пероксисомы клетки представляют собой тельца овальной формы, ограниченные мембраной и расположенные на обеих сторонах ретикулума. Внутри пероксисом содержится гранулярный матрикс, в центре которого находятся кристаллоподобные структуры, состо­ящие из фибрилл и трубок. Содержимое пероксисом – ферменты окисления аминокислот и каталаза. При метаболизме аминокис­лот образуется перекись водорода, которая разрушается каталазой. Таким образом, каталаза пероксисом выполняет защитную функ­цию, так как Н₂О₂ является токсичным для клетки соединением.

Центросома, или «клеточный центр», обычно располагается в центре клетки или рядом с ядром. Она состоит из двух центриолей, расположенных в участке цитоплазмы, организованном особым образом. Центросома участвует в процессе деления клетки, создавая веретено деления.

Иногда в цитоплазме клетки выявляются включения. Они не являются обязательным компонентом, поскольку представляют раз­личные продукты метаболизма (кристаллы солей мочевой кислоты, пигментные зерна, жиры, белки и т.д.), и в случае необходимости могут быть использованы организмом.

В цитоплазме клетки непрерывно происходит обмен веществ, при­водящий к самообновлению белков и других химических веществ. Это достаточно быстрый процесс. Например, в клетках печени за 3–5 суток половина белковых молекул может заменяться новыми.

Биохимическими методами показано, что если отделить ядро и все органоиды клетки от цитоплазмы, то в ней останутся фермен­ты, которые ускоряют реакции обмена. Но все же полный обмен веществ происходит только в случае взаимодействия цитоплазмы с другими компонентами клетки. С генетической точки зрения, био­химию цитоплазмы и ее строение необходимо рассматривать в свете ядерно-цитоплазматических взаимоотношений, т. е. взаимовлияния компонентов цитоплазмы и ядра.

Как правило, в клетке содержится одно ядро, реже – несколько. Ядро состоит из хроматина («хроматин» – от греческого chroma – цвет, краска) – вещества, способного хорошо воспринимать красители. Хроматин состоит из ДНК и белков. В интерфазных клетках хро­матин может быть рассеян по всему ядру или располагаться в виде отдельных глыбок. Интерфазные клетки – клетки, находящиеся в состоянии между двумя последовательными митозами в фазе покоя или же в стадии от последнего митоза до гибели клетки. В интер­фазных ядрах хромосомы разрыхлены и деконденсированы. Они и составляют нити хроматина, максимальная конденсация которых происходит во время митотического деления клеток с образованием хромосом.

Кроме хроматина, в ядрах встречаются перихроматиновые и интерхроматиновые гранулы, в которых содержится РНК.

В ядре находится одно или несколько ядрышек. Ядрышко – самая плотная структура ядра, являющаяся производным хромосомы, а именно – одним из ее локусов с наиболее высокой активностью син­теза РНК в интерфазе. В ядрышке образуются рибосомальные РНК и рибосомы, на которых происходит синтез белков цитоплазмы. Образование и количество ядрышек зависит от числа и активности ядрышковых организаторов (участков хромосомы, расположенных в зонах вторичных перетяжек).

Ядро ограничено от цитоплазмы ядерной оболочкой. Ядерная обо­лочка состоит из внешней ядерной мембраны и внутренней мембра­ны, которые разделяются перинуклеарным пространством или цис­терной ядерной оболочки. В ядерной оболочке содержатся ядерные поры. Число ядерных пор зависит от метаболической активности клетки: чем она выше, тем больше пор на единицу поверхности кле­точного ядра.

Основные функции ядерной оболочки заключаются в том, что она отделяет содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивает доступ в ядро крупных агрегатов биополимеров, регулирует транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой, участвует в фиксации хромосомного материала в ядре. Таким образом, ядро является носителем генетического материала и местом, где осуществляется его функционирование и воспроизведение.

Хромосома – структурный элемент клеточного ядра дезоксирибонуклеиновой природы. Это название произошло от способности хромосом окрашиваться основными красителями. Как самостоятельное образование определенного размера и формы хромосома выявляется при делении клеток. Самоудвоение и закономерное распределение хромосом по дочерним клеткам обеспечивает точную передачу наследственной информации.

Морфология хромосом лучше всего видна в клетке на стадии метафазы. Они состоят из двух палочкообразных телец, называемых хроматидами. Обе хроматиды каждой хромосомы идентичны друг другу по генному составу.

Хромосомы дифференцированы по длине. Все хромосомы имеют центромеру или первичную перетяжку, две теломеры и два плеча. На некоторых хромосомах еще есть вторичные перетяжки и спут­ники. Центромера – очень важная часть хромосомы, определяющая точное распределение хроматид к двум полюсам делящейся клетки. ДНК центромеры отличается характерной последовательностью нуклеотидов и специфическими белками. В зависимости от распо­ложения центромеры различают акроцентрические хромосомы, субметацентрические и метацентрические хромосомы.

Некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки. В отличие от первичной перетяжки (центромеры) они не служат местом при­крепления нитей веретена и не играют никакой роли в движении хроматид. Некоторые вторичные перетяжки связаны с образовани­ем ядрышек, в этом случае их называют ядрышковыми организа­торами. В ядрышковых организаторах расположены гены, ответс­твенные за синтез рРНК. Функция других вторичных перетяжек еще не ясна.

У некоторых актроцентрических хромосом есть спутники – учас­тки, соединенные с остальной частью хромосомы тонкой нитью хроматина. Форма и величина спутника постоянна для данной хро­мосомы. У человека спутники имеются у пяти пар хромосом (13–15 и 21–22 пары).

Концевые участки хромосом, богатые структурным гетерохроматином, называются теломерами. Теломеры препятствуют слипанию концов хромосом после редупликации и тем самым способствуют сохранению их целостности. Следовательно, теломеры ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований.

Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, называют гомологичными. У них одинаковое строение (длина, расположение центромеры и т.д.). Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.

Изучение тонкой структуры хромосом показало, что они состо­ят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), белка и небольшо­го количества РНК. Молекула ДНК несет отрицательные заряды, распределенные по всей длине, а присоединенные к ней белки – гистоны заряжены положительно. Этот комплекс ДНК с белком называют хроматином. Хроматин может иметь разную степень кон­денсации. Конденсированный хроматин называют гетерохроматином, деконденсированный хроматин – эухроматином. Степень деконденсации хроматина отражает его функциональное состояние. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые, в которых локализована большая часть генов. Различают структурный гетерохроматин, количество которого раз­личается в разных хромосомах, но располагается он постоянно в околоцентромерных районах. Помимо структурного гетерохроматина, существует факультативный гетерохроматин, который появля­ется в хромосоме при сверхспирализации эухроматических районов. Подтверждением существования этого явления в хромосомах чело­века служит факт генетической инактивации одной Х-хромосомы в соматических клетках женщины. Его суть заключается в том, что существует эволюционно сформировавшийся механизм инактива­ции второй дозы генов, локализованных в Х-хромосоме, вследствие чего, несмотря на разное число Х-хромосом в мужском и женском организмах, количество функционирующих в них генов уравнено. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деле­ния клеток, тогда его можно обнаружить в виде плотных хромосом.

Размеры молекул ДНК хромосом огромны. Каждая хромосома представлена одной молекулой ДНК. Они могут достигать сотен микро­метров и даже сантиметров. Из хромосом человека самая большая – пер­вая; ее ДНК имеет общую длину до 7 см. Суммарная длина молекул ДНК всех хромосом одной клетки человека составляет 170 см.

Несмотря на гигантские размеры молекул ДНК, она достаточно плотно упакована в хромосомах. Такую специфическую укладку хромосомной ДНК обеспечивают белки гистоны. Гистоны распола­гаются по длине молекулы ДНК в виде блоков. В один блок входит 8 молекул гистонов, образуя нуклеосому (образование, состоящее из нити ДНК, намотанной вокруг октамера гистонов). Размер нуклеосомы около 10 нм. Нуклеосомы имеют вид нанизанных на нитку бусинок. Нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК плотно упа­кованы в виде спирали, на каждый виток такой спирали приходится 6 нуклеосом. Так формируется структура хромосомы.

Наследственная информация организма строго упорядочена по отдельным хромосомам. Каждый организм характеризуется определен­ным набором хромосом (число, размеры и структура), который называ­ется кариотипом. Кариотип человека представлен двадцатью четырьмя разными хромосомами (22 пары аутосом, Х- и У-хромосомы). Карио­тип – это паспорт вида. Анализ кариотипа позволяет выявлять наруше­ния, которые могут приводить к аномалиям развития, наследственным болезням или гибели плодов и эмбрионов на ранних стадиях развития.

Длительное время полагали, что кариотип человека состоит из 48 хромосом. Однако в начале 1956 г. было опубликовано сообщение, согласно которому число хромосом в кариотипе человека равно 46.

Хромосомы человека различаются по размеру, расположению цен­тромеры и вторичных перетяжек. Впервые подразделение кариотипа на группы было проведено в 1960 г. на конференции в г. Денвере. В описание кариотипа человека первоначально были заложены два следующих принципа:

· расположение хромосом по их длине;

· группировка хромосом по расположению центромеры (метацентрические, субметацентрические, акроцентрические).

Все хромосомы подразделялись на 7 групп:

А – крупные метацентрические (1–3);

В – крупные субметацентрические (4 и 5);

С – среднего размера субметацентрические (6–12 и X);

D– крупные акроцентрические (13-15);

Е – маленькие субметацентрические (16-18);

F – маленькие метацентрические (19 и 20);

G – маленькие акроцентрические (21, 22 и У).

В последующие годы классификация хромосом была дополнена данными о положении вторичных перетяжек (Лондонская конфе­ренция). Однако потребности клинической практики показали, что предложенная групповая Денверская и уточненная Лондонская классификации хромосом недостаточны для индивидуальной иден­тификации хромосом.

Знание молекулярной структуры хромосом стало основой для разработки методов дифференциального окрашивания хромосом, которое при применении красителей, специфически связывающих­ся с участками ДНК определенного строения, позволило иденти­фицировать каждую хромосому. Причем идентификация хромосом осуществляется не по отдельным случайным признакам, а реально, по их структурно-функциональной организации.

Разные исследователи предлагали различные методы выявления линейной неоднородности (сегментации) отдельных хромосом. В 1971 г. на Парижской конференции по стандартизации и номенк­латуре хромосом человека все эти методы были сопоставлены и было показано, что ими выявляются, в принципе, одни и те же участки хромосом или сегменты.

Точное постоянство числа хромосом, их индивидуальность и сложность строения свидетельствуют о важности выполняемой ими функции. Хромосомы выполняют функцию основного генетического аппарата клетки. В них в линейном порядке расположены гены, каж­дый из которых занимает строго определенное место (локус) в хромо­соме. В каждой хромосоме много генов, но для нормального развития организма необходим набор генов полного хромосомного набора.

Преемственность наследственных свойств определяется уни­версальными эволюционно закрепленными процессами деления клеток. Митоз обеспечивает преемственность в ряду клеточных поколений, а мейоз – в ряду поколений организмов.

В основе митоза и мейоза лежит фундаментальная способность хромосом к автокаталитической редупликации, в результате которой все расположенные по длине хромосомы гены удваиваются со скрупу­лезной точностью, а затем распределяются по дочерним клеткам.

Митоз. Промежуток жизни клетки от ее образования до деления на две дочерние называют клеточным циклом. У разных организмов и в разных тканях продолжительность клеточных циклов различна.

События, которые развертываются в течение жизненного цикла клетки, протекают с удивительной точностью. Митоз является уни­версальным способом деления клетки, обеспечивающим передачу наследственной информации.

Период между делениями клетки называется интерфазой. Хро­мосомы в стадии интерфазы находятся в ядре в деспирализованном состоянии. Они практически невидимы в световом микроскопе до начала митоза. Интерфаза и митоз составляют клеточный цикл.

Клеточный цикл состоит из четырех периодов: пресинтетический –G₁; период синтеза ДНК –S; постсинтетический – G₂; митоз – М. Следует отметить, что непосредственно митоз в соматических клет­ках продолжается около одного часа. Длительность интерфазного периода колеблется очень сильно (от нескольких часов до десятков лет) в зависимости от ткани. Некоторые клетки пребывают в длительном интерфазном состоянии (лимфоциты). В таких случаях считается, что клетки находятся в фазе G₀, из которой они вступают в фазу G₁ после активирующего стимула для лимфоцитов.

Пресинтетический период G₁ наступает сразу после деления клетки. В это время в клетке интенсивно накапливаются различ­ные вещества (ферменты, аминокислоты, нуклеотиды и т.д.). Этот период клетки самый длительный. Далее наступает фаза синтеза ДНК (S). В клетке удваивается количество ДНК и происходит синтез РНК и белков. Затем следует фаза постсинтетическая G₂, которая характеризуется продолжением синтеза РНК и других соединений; количество ДНК не меняется, и идет процесс накопления клеткой энергии для последующего деления. Готовая к делению клетка всту­пает в митоз. Митоз подразделяется на 4 стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

В профазе происходят сложные явления в цитоплазме и ядре. Хромосомы спирализуются и становятся видимыми структурами в виде двух хроматид, соединенных центромерами. Хроматиды образо­вались в процессе редупликации хромосом. Редупликация происхо­дит так, что в каждой хроматиде имеется одна «старая», и одна вновь синтезированная нить молекулы ДНК. В цитоплазме формируется специальный аппарат деления – ахроматиновое веретено, состоя­щее из белков, которые накопились в период интерфазы. Постепенно хромосомы укорачиваются и утолщаются путем спирализации. В конце профазы исчезает ядрышко, ядерная мембрана растворяется, и хромосомы оказываются в цитоплазме. Хромосомы движутся по направлению к экватору. Прометафаза завершается, как только центромеры всех хромосом оказываются в экваториальной плоскости.

В метафазе хромосомы располагаются строго в зоне экватора деля­щейся клетки, образуя так называемую метафазную пластинку. На стадии метафазы хромосомы имеют самую малую длину, поскольку в это время они сильно спирализованы и конденсированы. Толщина же хромосом достигает максимума. В этой стадии, если разрушить пластинку с помощью гипотонии, можно подсчитать число хромосом в клетке, описать их строение, определить размеры. У диплоидных организмов каждая хромосома представлена двумя гомологами, одна из которых унаследована от матери, другая – от отца.

Анафаза начинается с деления центромер, которые до этого вре­мени удерживали обе хроматиды каждой хромосомы. Нити веретена оттягивают дочерние центромеры к противоположным полюсам. Центромеры тянут за собой отделившиеся друг от друга хроматиды, которые теперь называются хромосомами.

Наконец, хромосомы дочерних клеток собираются к полюсам, и наступает заключительная стадия митоза – телофаза. В это время на каждом из полюсов из скопившихся здесь хромосом образуются ядра дочерних клеток. Появляются ядрышки. В телофазе происхо­дит и деление цитоплазмы, причем образуются две дочерние клетки, обладающие полным объемом наследственной информации каждая. Органоиды цитоплазмы редуплицируются и примерно равномерно распределяются между дочерними клетками.

У животных цитоплазма делится путем перетяжки, у растений, как правило, образуется клеточная стенка. Дочерние клетки могут быть разного размера в зависимости от места образования пере­тяжки или клеточной стенки, однако генетическая информация, содержащаяся в их ядрах, идентична, поскольку расходящиеся к противоположным полюсам хроматиды являются точными копия­ми друг друга.

Митоз составляет не более ¹/₇ – ¹/₁₀ части клеточного цикла. Продолжительность фаз митоза различна в клетках разных тканей. Как правило, профаза – самая длинная стадия митоза, метофаза – самая короткая.

В результате митоза во всех клетках многоклеточных организмов в ряду поколений поддерживается постоянный набор хромосом, специфический для данного вида. Митотическое деление клеток приводит к увеличению их числа, обеспечивает процессы роста и регенерации.

Следует отметить, что все процессы, происходящие в клетке, в том числе и митоз, находятся под генетическим контролем. Гены контролируют последовательные стадии редупликации ДНК, дви­жение, цитокинез, спирализацию хромосом и т.д.

Биологическое значение митоза заключается в строго равномерном распределении хромосом между ядрами двух дочерних клеток. Это значит, что митоз обеспечивает точную передачу наследственной информации каждому из дочерних ядер.

Амитоз - прямое деление клетки, при котором ядро находится в интерфазном состоянии. Хромосомы не выявляются. Веретено деления не образуется. Амитоз приводит к появлению двух клеток, но очень часто в результате амитоза возникают двуядерные и многоядерные клетки.

Амитотическое деление начинается с изменения формы и числа ядрышек. Крупные ядрышки делятся перетяжкой. Вслед за делением ядрышек происходит деление ядра. Ядро может делиться перетяжкой, образуя два ядра, или имеет место множественное разделение ядра, его фрагментация. Ядра могут быть неравной величины.

Амитоз встречается в отживающих, дегенерирующих клетках, неспособных дать новые жизнеспособные клетки.

В норме амитотическое деление ядер встречается в зародышевых оболочках животных, в фолликулярных клетках яичника.

Амитотически делящиеся клетки встречаются при различных патологических процессах (воспаление, злокачественный рост и др.).

Наряду с типичными картинами митоза нередко наблюдаются атипические митозы, возникновение которых обусловлено теми или иными отклонениями в деятельности указанных выше основных клеточных компонентов – участников митоза. Так, если по каким-либо причинам клеточный центр не разделится надвое, то образуется однополюсное веретено деления. Такой митоз называют однополюсным, униполярным (от лат. unus – один) или моноцентрическим (от греч. monos – один). При этом варианте митоза хромосомы не расходятся к полюсам веретена, и деление клетки не завершается плазмотомией.

Мейоз. Образование половых клеток (гамет) происходит иначе, чем про­цесс размножения соматических клеток. Если бы образование гамет шло таким же путем, то после оплодотворения (слияния женской и мужской гамет) число хромосом каждый раз удваивалось бы. Однако этого не происходит. Каждому виду свойственно определенное число и свой специфический набор хромосом (кариотип). Поддержание этого правила возможно только тогда, когда при образовании гамет будет происходить уменьшение числа хромосом вдвое.

Мейоз – именно такая форма клеточного деления, которая сопро­вождается уменьшением числа хромосом с диплоидного до гаплоид­ного. При этом в стволовой зародышевой клетке происходит одно­кратное удвоение числа хромосом, за которым следуют два деления. Из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидных

Мейоз протекает в виде двух делений. Первое клеточное деление мейоза обозначается мейоз I, второе – мейоз II. В каждом делении по аналогии с митозом различают: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Во время профазы I мейоза двойные хромосомы хорошо видны в оптический микроскоп. Каждая хромосома состо­ит из двух хроматид, которые связаны вместе одной центромерой. В процессе спирализации двойные хромосомы укорачиваются. Го­мологичные хромосомы тесно соединяются друг с другом продольно (хроматида к хроматиде), или конъюгируют. Хроматиды нередко перекрещиваются или перекручиваются одна вокруг другой. Затем гомологичные двойные хромосомы начинают отходить друг от друга. В местах перекреста хроматид происходят разрывы и обмен участ­ками. Это явление называют перекрестом хромосом. Од­новременно, как и при митозе, растворяется ядерная оболочка, исчезает ядрышко, образуются нити веретена. Профаза I мейоза отличается от профазы митоза тем, что в ней происходит конъю­гация гомологичных хромосом и взаимный обмен участками при их перекресте.

В метафазе Iгомологичные хромосомы, лежащие парами, рас­полагаются в экваториальной плоскости клетки. Вслед за этим на­ступает анафаза I, во время которой гомологичные хромосомы, каждая состоящая из двух хроматид, отходят к противоположным полюсам клетки (при митозе к полюсам расходятся хроматиды). Важно отметить, что на этой стадии мейоза гомологичные хромо­сомы каждой пары расходятся в стороны случайным образом, не­зависимо от хромосом других пар. У каждого полюса оказывается вдвое меньше хромосом, чем их было в начале деления клетки. Затем наступает телофаза I, во время которой образуются две клетки с меньшим в два раза числом хромосом.

Интерфаза короткая, так как синтеза ДНК не происходит. Да­лее следует второе мейотическое деление (мейоз II). Оно отличает­ся от митоза тем, что количество хромосом в метафазе II вдвое меньше, чем количество хромосом в метафазе митоза у того же организма. Поскольку каждая хромосома состоит из двух хрома­тид, то в метафазе II центромеры хромосом делятся, и к полюсам расходятся хроматиды, которые становятся дочерними хромосо­мами. Только теперь наступает на­стоящая интерфаза. Из каждой ис­ходной клетки с диплоидным на­бором хромосом (2 п) возникают четыре клетки с гаплоидным (л) набором хромосом.

Биологическое значение мейоза.Если бы в процессе мейоза не происходило уменьшения числа хромосом, то в каждом следующем поколении при слиянии ядер яй­цеклетки и сперматозоида число хромосом увеличивалось бы бес­конечно. Благодаря мейозу зрелые половые клетки получают гап­лоидное (п) число хромосом, поэтому при оплодотворении (сли­янии ядерного материала сперматозоида и яйцеклетки) восста­навливается характерное для вида диплоидное (2п) число. При мейозе гомологичные хромосомы попадают в разные половые клет­ки, а при оплодотворении парность гомологичных хромосом восстанавливается. Следовательно, обеспечивается постоянный для каждого вида полный диплоидный набор хромосом и постоянное количество ДНК.

Происходящие в мейозе перекрест хромосом, обмен участка­ми, а также независимое расхождение каждой пары гомологичных хромосом определяют закономерности наследственной передачи признаков от родителей потомству. Из каждой пары двух гомоло­гичных хромосом (материнской и отцовской), входивших в хро­мосомный набор диплоидных организмов, в гаплоидном наборе яйцеклетки или сперматозоида содержится лишь одна хромосома. Она может быть:

1) отцовской;

2) материнской;

3) отцовской с участком материнской;

4) материнской с участком отцовской.

Эти процессы возникновения большого количества качественно раз­личных половых клеток способствуют наследственной изменчи­вости.

В отдельных случаях вследствие нарушения процесса мейоза или нерасхождения гомологичных хромосом половые клетки могут не иметь гомологичной хромосомы или, наоборот, иметь обе гомо­логичные хромосомы. Это приводит к тяжелым нарушениям в раз­витии организма или его гибели.

Таким образом:

1. При образовании половых клеток, сохраняет число хромосом в каждом новом поколении.

2. Гомологичные хромосомы в первом делении расходятся независимо, что ведет к появлению в гаметах новых генных комбинаций.

Развитие сперматозоидов и яйцеклеток человека. В мужских половых железах идет образование мужских поло­вых клеток – сперматогенез у человека. В процессе образования половых клеток имеется несколько стадий.

Сперматогенез начинается с того, что незрелая (первичная) половая клетка увеличивается в размерах и приступает к первому делению мейоза. Из исходной образуются две клетки, которые пре­терпевают второе деление мейоза. В результате двух следующих друг за другом мейотических делений из каждой незрелой мужской половой клетки образуются четыре зрелые половые клетки с гаплоидным набором хромосом (n). Превращение этих клеток в спер­матозоиды связано с их ростом и специализацией, но не со­провождается клеточным делением.

Образование женских половых гамет – яйцеклеток называется овогенезом и происходит в женских половых органах – яичниках по той же общей схеме, что и сперматогенез, но с существенными отличиями.

В результате неравномерного распределения цитоплазмы в до­черних клетках как при первом, так и при втором делениях мейоза только в одной клетке оказывается большой запас питательных веществ, необходимых для развития будущего зародыша. Образует­ся только одна зрелая яйцеклетка с гаплоидным (n) набором хро­мосом и три маленькие клеточки, которые впоследствии исчезают. При овогенезе, когда происходит созревание яйцеклетки, значи­тельно увеличивается ее объем.

Описанное выше различие сперматогенеза и овогенеза обеспе­чивает образование во много раз большего числа сперматозоидов, чем яйцеклеток. Это необходимо для оплодотворения наибольше­го числа яйцеклеток и, следовательно, для сохранения вида.

Биологические полимеры – нуклеиновые кислоты. Значение нуклеиновых кислот в клетке очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых моле­кул, которые синтезируются в каждой ткани на определен­ном этапе индивидуального развития.

Поскольку большинство свойств и признаков обусловле­но белками, то понятно, что стабильность нуклеиновых кис­лот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и целых организмов. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них влияя таким образом на жизнеспособность.

Изучение структуры нуклеиновых кислот, которую впервые установили американский биолог Дж. Уотсон и англий­ский физик Ф. Крик, имеет исключительно важное значе­ние для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования, как отдельных клетках, так и клеточных систем – тканей и органов.

Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК. ДНК – биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных; цепей, соединенных друг с другом. ДНК – полимер с очень большой молекулярной массой.

Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие азотистые основания: аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г), пятиатомный сахар – пентозу – дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соеди­нения носят название нуклеотидов.

В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой путем образования фосфодиэфирных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Объединяются две цепи в единую молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи. Количество таких связей между разными азотистыми основаниями неодинаковое, и вслед­ствие этого они могут соединяться только попарно: азотистое основание А одной цепи полинуклеотидов всегда связано с Т другой цепи, а Г – тремя водородными связями с азотистым основанием Ц противоположной полинуклеотидной цепочки. Такая способность к избирательному соединению нуклео­тидов, в результате чего формируются пары А–Т и Г–Ц, называется комплементарностью. Если известна последовательность оснований в одной цепи (например, Т-Ц-А-Т-Г), то благодаря принципу комплементарности (дополнительности) станет известна и последовательность оснований противоположной цепи (А-Г-Т-А-Ц).

Цепи нуклеотидов образуют правозакрученные объем­ные спирали по 10 пар оснований в каждом витке. Последо­вательность соединения нуклеотидов одной цепи противо­положна таковой в другой, т. е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправленны, или антипараллелъны. Сахарофосфатные группировки нуклеотидов находятся сна­ружи, а комплементарно связанные нуклеотиды – внутри. Цепи закручиваются вокруг друг друга, а также вокруг общей оси и образуют двойную спираль. Такая структура молекулы поддерживается в основном водородными связями. При соединении с определенными белками – гистонами – степень спирализации молекулы повышается. Моле­кула утолщается и укорачивается. В дальнейшем спирализация достигает максимума, возникает спираль еще более высокого уровня – суперспираль. При этом молекула становится различима в световой микроскоп как вытянутое, хорошо окрашиваемое тельце – хромосома.

Функции ДНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота выпол­няет чрезвычайно важные функ­ции, необходимые как для под­держания, так и для воспроиз­ведения жизни.

Во-первых, – это хранение наследственной информации, ко­торая заключена в последова­тельности нуклеотидов одной из ее цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нук­леотида – триплет. Последова­тельность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность аминокислот в белковой молекуле. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной полипептидной цепи, Уотсона и Крика представляют собой ген

Вторая функция ДНК – передача наследственной инфор­мации из поколения в поколение. Она осуществляется благо­даря редупликации материнской молекулы и последующего распределения дочерних молекул между клетками-потомка­ми. Именно двухцепочечная структура молекул ДНК определяет возможность образования абсолютно иден­тичных дочерних молекул при редупликации.

Наконец, ДНК участвует в качестве матрицы в процессе