клетка наследственность хромосома кариотип
Основной единицей живого является клетка. Она имеет вес свойства живого, то есть, способна размножаться, видоизменяться и реагировать на раздражения. Более мелкие единицы материи этих свойств не проявляют. Р. Вирхов писал: «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне нее»
Среди живых организмов встречаются два типа организации клеток: прокариотическая клетка (у прокариот -- бактерий и синезеленых водорослей) и зукариотическая клетка (у эукариот, то есть всех остальных одно- и многоклеточных организмов-- растений, грибов и животных).
Строение клетки.
Прокариотическая клетка покрыта цитоплазматической мембраной, играющей роль активного барьера между цитоплазмой клетки и внешней средой. Снаружи от мембраны расположена клеточная стенка. У прокариотическх клеток нет морфологически выраженного ядра, но имеется зона, заполненная ДНК, несущей наследственную информацию. В основном веществе цитоплазмы прокариотических клеток располагаются многочисленные рибосомы.
Бактерии размножаются путем простого деления. Находящаяся в ядерной области ДНК прикреплена к мезосоме-- структуре, образуемой цитоплазматической мембраной. Деление бактериальной клетки начинается с деления мезосомы; затем две половинки мезосомы расходятся, увлекая за собой ДНК, последняя также делится на две части, из которых впоследствии образуются ядерные области двух дочерних клеток.
Клетка эукаряот организована сложнее, чем прокариотическая. Она покрыта цитоплазматической мембраной, которая играет важную роль в регулировании состава клеточного содержимого, так как через нее проникают все питательные вещества и продукты секреции. Каждая клетка содержит небольшое шаровидное или овальное тельце, называемое ядром. Схема строения эукариотической клетки Ядро служит важным регулирующим центром клетки, оно содержит наследственные факторы (гены), определяющие ври знаки данного организма, и управляет многими внутриклеточными процессами
Оболочка, окружающая ядро и отделяющая его от цитоплазмы, ядерная мембрана -- регулирует движение веществ из ядра и в ядро. В полужидком основном веществе ядра-кариоплазме размещается строго определенное число вытянутых нитевидных образований, называемых хромосомами. На окрашенном срезе неделящейся клетки хромосомы обычно имеют вид неправильной сети из темных тяжей и зернышек, в совокупности называемых хроматином.
В ядре находится сферическое тельце, называемое ядрышком. Ядрышки исчезают, когда клетка готовится к делению, а затем появляются вновь; они, по-видимому, участвуют в синтезе рибонуклеиновых кислот.
Материал, находящийся внутри плазматической мембраны, но вне ядра, называется цитоплазмой.
При исследовании тонкого среза клетки в электронном микроскопе видно, что цитоплазма представляет собой чрезвычайно сложный лабиринт из мембран, образующих так называемую эндоплазматическую сеть, заполняющую большую часть цитоплазмы. Существуют два типа эндоплазматической сети: гранулярная, к мембранам которой прикреплено множество рибосом - мелких рибонуклеопротеидных частиц, служащих местом синтеза белка, и агранулярная, состоящая из одних только мембран. В одной и той же клетке может встречаться сеть того и другого типа. Остальная часть цитоплазмы заполнена другими специализированными структурами, несущими специфические функции: это митохондрии, аппарат Гольджи, центриоли и пластиды.
Все живые клетки содержат митохондрии -- тельца величиной О,2--5 мкм, форма которых варьирует от сферической до палочковидной и нитевидной. В одной клетке может быть от нескольких митохондрий до тысячи и более. Обычно они сосредоточены в той части клетки, где обмен веществ наиболее интенсивен.
Каждая митохондрия ограничена двойной мембраной; внешний слой мембраны образует гладкую наружную поверхность, а от внутреннего слоя отходят многочисленные складки в виде параллельных, направленных к центру митохондрии выступов, которые могут встречаться, а иногда и сливаться со складками, отходящими от противоположной стороны Внутренние складки, называемые кристами, содержат ферменты, участвующие в системе переноса электронов, которая играет важнейшую роль в превращении энергии питательных веществ в биологически полезную энергию, необходимую для осуществления клеточных функций. Полужидкое внутреннее содержимое митохоидрии -- матрикс -- содержит ферменты. Митохондрии, главная функция которых состоит в вырабатывании энергии, образно называют электростанциями клетки.
В клетках большинства растений имеются пластиды-- формирования, в которых происходит синтез или накопление органических веществ.
В клетках животных и некоторых низших растений около ядра расположены два небольших тельца -- центриоли, Которые играют важную роль в клеточном делении: в начале деления они отходят друг от друга, направляясь к противоположным полюсам клетки, и между ними образуется так называёмое веретено деления.
Комплекс Гольджи -- компонент цитоплазмы, встречающийся почти во всех клетках, кроме зрелых спермиев и красных кровяных телец,--представляет собой неупорядоченную сеть канальцев, выстланных мембранами. Обычно он расположеноколо ядра и окружает центриоли. Функция комплекса еще невполне выяснена, но, по мнению некоторых цитологов, комплекс Гольджи служит местом временного хранения веществ, вырабатываемых на гранулярной эндоплазматической сети, а канальцы комплекса соединены с плазматической мембраной. Лизосомы-- группа внутриклеточных органелл, встречающихся в животных клетках, -- сходны по величине с митохонд-риями, но несколько менее плотные; они представляют собойограниченные мембраной тельца, которые содержат разнообразные ферменты, способные гидролизовать макромолекулярные компоненты клетки. В случае проникновения в клетку чужеродной ДНК (вируса) лизосомы выделяют в цитоплазму ферменты, расщепляющие ДНК,--нуклеазы, и тем самым выполняют защитную функцию.
Кроме перечисленных элементов, цитоплазма может содержать вакуоли-- полости, заполненные жидкостью и отделенные от остальной цитоплазмы вакуолярной мембраной. Вакуоли весьма обычны в клетках растений и низших животных, но редко встречаются в клетках высших животных процессами.
Ядро является важнейшей составной частью клетки. В период между делениями ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой и чаще всего имеет шаровидную или эллиптическую форму. Полость ядра заполнена ядерным соком (кариоплазмой),0 вязкости которого отличают вязкость цитоплазмы и часто бывает значительно ниже. Ядро не обладает способностью восстанавливать ядерную оболочку, поэтому при ее повреждении содержимое ядра смешивается с цитоплазмой.
Ядрышки - округлые тельца (одно или несколько), заключенные в ядре, характеризуются высоким коэффициентом преломления. Более крупные и плотные ядрышки характерны для клеток, отличающихся высокой активностью, а именно для интенсивно делящихся эмбриональных клеток и для клеток, осуществляющих синтез белка. В процессе клеточного деления ядрышко исчезает, а затем вновь появляется. В ядрышках синтезируется в РНК, из которой формируются частицы рибосом.
Кроме ядрышек, в ядре находятся хромосомы. Они имеют продолговатую форму с расположенной в том или ином участке перетяжкой -- центромерой. Центромера делит хромосому на две части, называемые плечами хромосомы. Хромосому с расположенной посередине центромерой называют метацентрической, при этом плечи хромосомы одинаковой величины; если центромера смещена в сторону от центра, то хромосому называют субметацентрической; при смещении центромеры на значительное расстояние от центра -- акроцентрической Расположение центромеры служат основой для классификации и идеитификации хромосом.
Хромосомы можно идентифицировать по их длине. длина хромосомы варьирует от 1 до 30 мкм; большая часть хромосом в состоянии максимального сокращения в митозе имеет длину менее 10 мкм. Абсолютная и относительная длина двух плеч хромосомы служит главным, а иногда и единственным критерием для распознавания отдельных хромосом.
Иногда хромосомы можно идентифицировать по ряду дополнительных признаков. Очень часто таким признаком оказывается находящееся на одном из концов хромосомы небольшое округлое тельце--так называемый спутник (или сателлит), соединяющийся с основной хромосомой тонкой хроматиновой нитью или вторичной перетяжкой.
В клетках большинства организмов хромосомы видны только во время клеточного деления. По окончании митоза хромосомы начинают вытягиваться до тех пор, пока не становятся такими тонкими, что их бывает невозможно различить с помощью светового микроскопа.
Более чем половину всей массы хромосомы составляет особый белок гистон, обладающий щелочными свойствами вследствие высокой концентрации в нем аминокислот аргинина и лизина. Кроме того, хромосома содержит некоторое количество белка, имеющего кислотные свойства. ДНК и РНК содержатся в хромосомах в небольших, но измеримых количествах.
Гистон и ДНИ объединены в структуру, называемую хроматиновой нитью, которая представляет собой двойную спираль ДНИ, окружающую гистоновый стержень; она построена из повторяющихся единиц (нуклеосом), в каждую из которых входят примерно 200 пар оснований ДНК и по две молекулы каждого из четырех гистонов (н2А, Н2В, НЗ и Н4) (рис. 4). Полагают, что эти восемь гистоновых молекул образуют сферическую единицу. Каким именно образом двойная спираль ДНК располагается вокруг гистонов, пока неясно.
Хроматиновая нить обычно образует спираль диаметром около 25 мкм, что находится на грани разрешающей способности самых мощных световых микроскопов. По способности окрашиваться ядерными красителями хроматиновые нити подразделяют на две группы: эухроматин и гетерохроматин. Последний окрашивается более интенсивно.
Перед началом клеточного деления большая часть хроматина уплотняется, образуя хромосомы. Число хромосом в клеточных ядрах всех особей какого-либо вида постоянно и представляет собой один из его признаков.
Все клетки любого организма происходят от зиготы -- клетки, образующейся в результате слияния двух гамет (половых клеток, имеющих одинарный, или гаплоидный, набор хромосом--п). Зигота содержит диплоидный набор хромосом (2п). Одинарный набор хромосом называют геномом.
Набор хромосом соматической клетки, свойственный тому или иному виду животных или растений, называют кариотипом. Он включает все особенности хромосомного комплекса: число хромосом, их форму, наличие видимых под световым микроскопом деталей строения отдельных хромосом
Среди всех хромосом кариотипа различают пары аутосом, одинаковые для мужских и женских особей, и одну пару половых хромосом, различающихся у мужских в женских особей. Половые хромосомы женских особей млекопитающих обозначают буквами ХХ и мужских особей -- ХУ, поэтому женский пол называют гомогаметным, мужской -- гетерогаметным. У птиц и бабочек, наоборот. женский пол гетерогаметный, мужской гомогаметный.
Наука, изучающая явления наследственности и изменчивости с использованием генетических и цитологических методов, называется цитогенетикой . Объектом цитогенетических исследований является клетка и в особенности хромосомы, их морфология и химический состав. Изучение материальных основ наследственности мы начнем с митоза и мейоза, сложных делений клетки, в процессе которых можно изучить строение и поведение хромосом.
ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК
Митоз
Митоз это непрямое деление соматических клеток, состоящее из деления ядра (кариокенез) и деления цитоплазмы (цитокенез). В результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние клетки, получающие одинаковое число хромосом. Следовательно, наследственный материал между дочерними клетками распределяется поровну.
Цель занятия . Ознакомиться с делением клетки, изучить и зарисовать фазы митоза и процессы, происходящие в них.
Материал и оборудование. Таблица и слайды, иллюстрирующие фазы и стадии митоза. Готовые препараты со срезами корешков лука и микроскопы.
Методика приготовления препарата. Для изучения митоза несложно приготовить препарат из корешка лука. Для этого корешок лука помещают в тигелек с красителем (ацетоорсеин или кармин) и нагревают. После окрашивания корешки переносят на предметное стекло в каплю 45% уксусной кислоты и, накрыв покровным стеклом, раздавливают. Далее препарат рассматривают под микроскопом при увеличении 7х40 (рис.1.).
Рис.1 Митоз в клетках корешка лука
Фазы митоза в клетках корешка лука. А-интерфаза, Б-Д – профаза, Е-Ж – метафаза, З-И – анафаза, К-М –телофаза.
Несмотря на то, что митотическое деление представляет непрерывный процесс, где каждая стадия незаметно переходит в другую, для удобства изучения можно выделить 4 фазы (профазу, метафазу, анафазу и телофазу).
Между двумя клеточными делениями - в интерфазе, которая по продолжительности намного длиннее митоза происходят сложные процессы, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. В предсинтетической стадии – G 1 накапливаются нуклеотиды, аминокислоты, ферменты и др. вещества, в синтетической фазе - S происходит синтез ДНК и удвоение хромосом, в постсинтетической фазе - G 2 затормаживаются процессы, обеспечивающие жизнедеятельность клетки и она готовится к делению. Таким образом,в интерфазе каждая хромосома синтезирует и формирует свою точную копию из материала клеточного ядра. Интерфазные хромосомы в конце периода G 2 состоят из отдельных нитей, каждая из которых подвергается спирализации самостоятельно. Они лежат так близко, что кажутся единой структурой.
Профаза - первая фаза митоза. Ядро увеличивается в размерах, появляются тонкие нити хромосом, которые постепенно укорачиваются и утолщаются. Хроматиды остаются соединенные вместе при помощи центромер. Центриоли делятся и отходят к полюсам клетки. Ядерная оболочка начинает разрушаться и к концу профазы исчезает.
Метафаза . Хромосомы располагаются в плоскости экватора, образуя метафазную пластинку. Нити веретена связывают центромеры хромосом с полюсами клетки. Стадия метафазы наиболее удобное время для наблюдения за хромосомами.
Анафаза . Центромеры скрепляющие две хроматиды, делятся, хроматиды разъединиются, нити веретена деления сокращаются и подтягивают хромосомы к полюсам клетки. Хроматиды с этого момента называют дочерними хромосомами.
Телофаза . Хромосомы достигают полюсов здесь они деспирализуются и утрачивают видимую индивидуальность. Вокруг отошедших к полюсам хромосом формируется ядерная оболочка. Телофаза завершается делением цитоплазмы - цитокенезом.
Mейоз
Мейоз - сложное деление, которое происходит только у высших организмов, размножающихся половым путем, и связано с процессом развития и образования половых клеток.
Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра: первое деление - редукционное , в результате которого число хромосом уменьшается в два раза и второе - эквационное сохраняющее число хромосом без изменения. Первое деление мейоза - редукционное, начинается с профазы 1 , состоящей из пяти стадий: лептонемы, зигонемы, пахинемы, диплонемы и диакенеза. Схема мейоза показана на рис. 2.
Рис.2. Схема мейоза
На стадии лептонемы (тонких нитей) хромосомы имеют вид тонких однородных нитей. При большом увеличении можно видеть, что в этой стадии хромосомы состоят из двух хромотид, соединенных центромерой.
На стадии зигонемы (парных нитей) гомологичные хромосомы начинают соединяться по всей длине (коньюгировать).
На стадии пахинемы (толстых нитей) происходит спирализация хромосом, в результате чего они утолщаются и укорачиваются. Соединенные в пары хромосомы называются бивалентами. Они состоят их четырех хроматид.
На стадии диплонемы (двойных нитей) обнаруживается произошедший ранее обмен участками между гомологичными хроматидами в виде перекрещивания гомологичных хроматид. Такие перекрещивания называются хиазмами . Обмен гомологичных хромосом участками называют кроссинговером . В результате кроссинговера происходит рекомбинация генов. В диплонеме хромосомы начинают отталкиваться друг от друга.
На стадии диакенеза хромосомы еще больше укорачиваются и утолщаются. При переходе от стадии профазы к метафазе наблюдается разрушение оболочки ядра, исчезновение ядрышек и формирование ахроматинового веретена.
В метафазе 1 биваленты расположены в плоскости экватора, причем их вдвое меньше диплоидного числа хромосом. В отличие от митоза центромеры хромосом не делятся.
В анафазе 1 редукционного деления к противоположным полюсам расходятся не хромотиды, а целые хромосомы, что приводит к уменьшению их числа в дочерних клетках в два раза. Хромосомы дочерних ядер состоят из качественно различных хроматид, которые образовались в результате кроссинговера.
Телофаза 1. Хромосомы концентрируются на полюсах и деспирали-зируются. Происходит формирование ядер, нити веретена исчезают. Далее происходит цитокенез и в итоге формируются две клетки с гаплоидным набором хромосом.
После очень короткой интерфазы в которой не происходит удвоения хромосом сразу начинается эквационное деление, которое проходит по типу митоза.
Профаза 2 характеризуется исчезновением ядрышек, ядерной оболочки и образованием веретена деления.
Во время метафазы 2 гаплоидные хромосомы, состоящие из двух хроматид, выстраиваются центромерами в плоскости экватора.
В анафазе 2 происходит продольное деление центромер. К противо-положным полюсам клетки расходятся качественно различные хромосомы.
В телофазе 2 образуются ядра, содержащие гаплоидный набор хромосом.
В процессе мейоза происходит три важных явления отличающих мейоз от митоза:
Уменьшение числа хромосом вдвое (вместо диплоидного набора - гаплоидный). В процессе оплодотворения в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом, характерный для соматических клеток.
Образование клеток с различными комбинациями отцовских и материнских хромосом.
Возникновение новых типов хромосом, сочетающих гены родителей в новых комбинациях в результате кроссинговера.
+- Лекции по генетике.
ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ В ДЕФЕКТОЛОГИИ
Введение.
Основные понятия и термины современной генетики.
Цитологические основы наследственности.
Наследственность и изменчивость. Закономерности наследования признаков.
Методы изучения наследственности человека.
Наследственные болезни и их классификация. Наследственные дегенеративные заболевания.
Анализ генеалогической информации и методика составления родословной.
Приложение.
Терминологический словарь.
Задачи по генетике.
ВВЕДЕНИЕ
Генетика человека, как и анатомия, физиология, нейрофизиология, психофизиология и др. составляют основу современных медико-биологических знаний специалистов в области дефектологии.
Наследственность и изменчивость у человека являются предметом изучения генетики человека на всех уровнях его организации: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном. Генетика человека своими успехами в значительной мере обязана медицинской генетике - науке, изучающей роль наследственности в патологии человека. Прикладной раздел медицинской генетики - это клиническая генетика, которая использует достижения медицинской генетики, генетики человека и общей генетики в решении клинических проблем, возникающих у конкретных пациентов или в их семьях. Благодаря взаимопроникновению идей, концепций и методов общая генетика, генетика человека и медицинская генетика в значительной степени обогатили друг друга, что, в конечном счете способствовало тому, чтобы достижения науки реализовались в практической деятельности педагога, психолога и дефектолога.
Тема 1. Основные понятия и термины современной генетики.
Наследственность – это свойство живых организмов сохранять генетическую информацию и признаки предков и передавать их в ряду поколений.
Наследование – это процесс воспроизведения признаков предков в последовательных поколениях.
Гомологичные хромосомы – одинаковые по размерам, по форме, по составу генов, но разные по происхождению: одна от отца, другая – от матери.
Ген – это участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида.
Аллельные гены – гены, которые локализованы в гомологичных хромосомах в одинаковых локусах и кодируют один и тот же признак или его вариации.
Гомозигота – организм, в котором данная пара аллельных генов одинакова: АА или аа.
Гетерозигота - организм, в котором данная пара аллелей неодинакова: Аа.
Гемизигота (от греч. Hemi – полу- и зигота) – когда в диплоидном организме присутствует один ген из пары аллелей и он всегда проявляется. Например в Х-хромосоме у мужчин в локусе, которого нет в Y-хромосоме, находится один ген гемофилии, а в Y-хромосоме такой ген отсутствует.
Доминантный ген (от лат. Dominans - господствующий) – который подавляет проявления других аллелей.
Рецессивный ген (от лат. Recessus – отступление) – он проявляется только в гомозиготном состоянии.
Закон чистоты гамет: в процессе образования гамет в каждую из них попадает только один ген из аллельной пары. Цитологически это объясняется мейозом: в анафаза мейоза гомологичные хромосомы расходятся и вместе с ними аллельные гены.
Генотип – совокупность генов данного организма.
Фенотип – совокупность признаков данного организма (внешних и внутренних); развивается в результате взаимодействия генотипа с внешней средой. В фенотипе реализуются только те генотипические возможности для которых были конкретные оптимальные условия.
Тема 2. Цитологические основы наследственности.
Генетическая информация каждого человека сохраняется в 23 парах хромосом, которые отличаются размерами и формой. Хромосомный набор у человека принято разделять на семь групп аутосом и пару половых хромосом: А (1, 2, 3 пары хромосом), В (4, 5 пары), С (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 пары), D (13, 14, 15), E (16, 17, 18), F (19, 20), G 21, 22 пары хромосом), пара половых хромосом ХХ или XY
Основной составляющей каждой хромосомы является ДНК, а гены - это основные составляющие хромосомной ДНК. Молекула каждой хромосомы очень длинная, поэтому для компактности она плотно намотанная на специфические белки-гистоны. Это явление называется суперскручивание или суперкомпактизация. Для сравнения можно себе представить, что вся ДНК, которая содержится в ядре каждой клетки, в развернутом виде должна иметь длину около трех метров. Длина ДНК одной хромосомы составляет в среднем 5 см.
Почти в центре каждой хромосомы содержится ее центромера, небольшой участок, которая делит хромосому на две части, образуя при этом длинное плечо (q) и короткое плечо (р). Кроме того, для более детального и точного исследования хромосом используется метод окраски хромосом специальными красителями, использование которых вызывает образование характерной полосатой структуры. Каждая хромосома имеет уникальную четкую полосатую структуру, а каждая полоска имеет номер, который помогает определить (локализировать) конкретную часть хромосомы (локус ). Этот метод, при котором положение данного гена определяется размещением его на конкретной полосе хромосомы называется цитогенетическим картированием. Например, ген бета-гемоглобина (HBB) размещен на хромосоме 11p15.4. Это означает, что ген HBB расположен на коротком плече (р) хромосомы 11 и находится на 4 полосе 15 участка этой хромосомы.(см. рис.1)
Рисунок 1
Основы деления эукариотических и половых клеток.
Материальная непрерывность в ряду поколений осуществляется путем размножения организмов, в основе которого лежит универсальный процесс – деление клетки. Возникновение многоклеточности сопровождалось специализацией тканей организма: появились соматические ткани (нервная, мышечная, соединительная и т.д.) и ткань, дающая начало половым клеткам – генеративная ткань.
Половое размножение возникло в процессе эволюции, как высшая форма воспроизведения организмов, позволяющая многократно увеличивать численность потомства и, что самое главное, половое размножение – необходимая предпосылка многих форм наследственной изменчивости. Эти два следствия во многом способствовали естественному отбору наиболее приспособленных, и тем самым существенно определяя скорость эволюционных преобразований. Однако бесполое размножение, являясь более древним, не потеряло своего значения, поскольку лежит в основе многоклеточности, развития и роста организмов.
МИТОЗ
Деление соматических клеток, или митоз, приводит к образованию из одной родительской клетки двух генетически идентичных дочерних клеток. Организм взрослого человека состоит примерно из 10 14 клеток, для чего требуется около 47 циклов клеточного деления оплодотворенной яйцеклетки (зиготы).
Собственно митотическое деление занимает лишь незначительную часть жизненного цикла клетки. Между делениями ядро клетки находится в стадии относительного покоя, или интерфазы. В интерфазе хромосомы находятся в деспирализованном состоянии, в ядре отмечается наибольшая активность метаболических процессов, а клетка выполняет обычные для нее функции. Сразу после предшествующего деления, клетка вступает в период G1, характеризующийся интенсивными процессами синтеза белка и РНК; этот период называют постмитотическим или пресинтетическим.
Затем клетка вступает в период, когда происходит удвоение (репликация) количества ДНК, и каждая хромосома состоит из двух хроматид (синтетический период-S). С момента окончания синтеза ДНК и до начала клеточного деления продолжается постсинтетический, или премиотический период (G2) (см.рисунок II.1).
При делении ядро клетки претерпевает ряд последовательных изменений с образование характерных книтчатых структур, отсюда произошло и название процесса – митоз (от греч. mitos - нить). В процессе Митоза условно выделяют несколько стадий, постепенно и непрерывно переходящих друг в друга: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Длительность стадий Митоза различна и зависит от типа ткани, физиол. состояния организма, внеш. факторов; наиболее продолжительны первая и последняя.
Профаза. Эта стадия характеризуется: 1) спирализацией хромосомной нити; 2) исчезновением ядрышек; 3) движением центриолей к полюсам клетки и началом формирования митотического веретена; 4) исчезновением ядерной оболочки и объединением содержимого ядра с цитоплазмой (образуется миксоплазма, характеризующаяся особыми физико-химическими свойствами).
Метафаза. Хромосомы на этой стадии достигают максимальной конденсации и становятся особенно ясно различимыми, что позволяет оценить не только их число, но и морфологию индивидуальной хромосомы. В метафаза хромосомы расположены случайным образом в экваториальной плоскости клетки. перестают двигаться и выстраиваются по экватору веретена, образуя экваториальную пластинку. Завершается формирование веретена деления, и ахроматические нити прикрепляются к центромерам хромосом.
Анафаза - самая короткая стадия митоза. После деления центромеры, удерживающей до этого хроматиды в единой материнской хромосоме, каждая хроматида, прикрепленная к нити веретена деления, притягивается к определенному полюсу. Этим обеспечивается согласованное и точное распределение хромосомного материала в дочерние клетки.
Телофаза – заключиельная стадия митоза, в ходе оторой: 1) анафазная хроматида становится интерфазной хромосомой дочерней клетки; 2) происходит реконструкция ядерных мембран и восстановление ядрышек; 3) отмечается удвоение центриолей; 4) завершается обособление дочерних клеток.
Таким образом, события происходящие в митозе, приводят к образованию идентичных дочерних клеток, каждая из которых содержит точные копии генетического материала материнской клетки.
МЕЙОЗ.
Мейоз является клеточной основой полового размножения, когда гаплоидные гаметы, объединяясь в момент оплодотворения, образуют уникальную гаплоидную зиготу. В гаметогенезе происходит два последовательных деления клетки. Первой мейотическое деление, обозначаемое «мейоз I», состоит из профазы I, метафазы I, анафазы I, телофазы I.
В мейозе совершаются два критических события, отличающие процесс образования половых клеток от обычного митотического деления. Первое – спаривание гомологичных хромосом с образованием перекреста (хиазм) между хроматидами и обмен участками (кроссинговер) гомологичных хроматид. Второе существенное событие – редукция (уменьшение) диплоидного числа хромосом (2n = 46), приводящая к образованию гаплоидных гамет (n = 23). Пары гомологичных хромосом, объединенных в бивалент, представлены четырьмя хроматидами (тетрадой). Эти важнейшие события происходят во время первого мейотического деления. В анафазе I нити веретена деления разделяют бивалент (т.е. две гомологичные хромосомы) таким образом, что гомологи расходятся к различным полюсам клетки и происходит уменьшение числа хромосом вдвое. Именно поэтому мейоз I иногда называют редукционным делением. После телофазы I наступает короткая стадия – интеркинез. В отличие от интерфазы митоза в интеркинезе отсутствует период и, следовательно, не происходит репликации ДНК. Каждая клетка в начале второго мейотического деления содержит 23 хромосомы, каждая из которых состоит из сестринских хроматид. В профазе I I начинает формироваться новое веретено деления, и в метафазе I I хромосомы вновь располагаются в экваториальной плоскости. Во время анафазы I I за счет деления центромер к полюсам расходятся сестринские хроматиды, и в телофазе I I образуются дочерние клетки с гаплоидным набором. Таким образом диплоидная клетка, вступая в мейоз, образует 4 дочерние клетки с гаплоидным набором хромосом (см.рисунок 2).
Рисунок 2.
Схема мейотического деления клетки.
В результате мейоза образуются четыре гаплоидные клетки - гаметы. На рисунке представлены три пары хромосом
История развития и основные достижения современной генетики.
Цитологические основы наследственности
1. Генетика – наука о наследственности и изменчивости. Предмет, цели и задачи медицинской генетики. Методы генетики .
Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости организмов.
Наследственность – это способность организмов повторять в ряду поколений сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития.
Изменчивость – это способность организмов приобретать различия в признаках друг от друга и от своих родителей.
Медицинская генетика – раздел генетики, связанный с антропогенетикой (генетикой человека). Генетика человека наряду с морфологией, физиологией и биохимией является теоретическим фундаментом современной медицины. Генетика человека в своём развитии постоянно опиралась на общебиологические концепции (эволюционное учение, онтогенез) и достижения теоретической и клинической медицины.
Медицинская (клиническая) генетика – наука о роли наследственности и изменчивости в возникновении патологии человека.
Предмет медицинской генетики - закономерности передачи от поколения к поколению наследственных болезней, разработка методов диагностики, лечения и профилактики всех форм наследственной патологии.
Цель изучения медицинской генетики – овладение основами генетики будущими медицинскими работниками для большего использования генетических подходов при оказании медицинской помощи или профилактике заболеваний.
Задачи медицинской генетики:
создание медико-генетических консультаций, оказывающих помощь тем супружеским парам, у которых возникают сомнения по поводу здоровья будущего ребёнка;
разработка мер по уменьшению вероятности воздействия на человека мутагенных факторов и контроль их присутствия в окружающей среде;
расшифровка всех генов человека (100 тысяч) и составление генетических карт хромосом (хорошо изучены и прокартированы 21-я и Y-хромосома).
Методы изучения генетики человека:
Генеалогический метод – основан на изучении родословных.
Близнецовый метод – основан на вариантах сравнения близнецовых пар для выявления роли наследственности и среды при формирование признаков у человека.
Цитогенетический метод – основан на изучении хромосомного набора эмбриона с помощью микроскопа и обнаружения дефектов кариотипа или отдельных хромосом. С этим методом связана методика амниоцентеза – возможность обнаружить аномальное число хромосом у плода на 16-й неделе беременности. Для этого берут пробу околоплодной жидкости, содержащей отшелушивающиеся клетки плода, которые исследуются под микроскопом. Диагностика наследственных болезней или других нарушений в период внутриутробного развития называется пренатальная диагностика .
Биохимический метод – основан на обнаружении отклонений в биохимических реакциях, происходящих в организме, и связанных с изменениями генотипа.
Знания генетики необходимы медицинскому работнику любой специальности для понимания сущности жизни, механизмов индивидуального развития и его нарушений, природы любого заболевания, для рационального подхода к диагностике, лечению и профилактике болезней. Поэтому медицинскую генетику можно рассматривать как науку и отрасль здравоохранения.
2. История генетики человека.
В своём развитии генетика прошла три этапа . На каждом из них формировались определённые представления человека о передаваемых по наследству различиях между людьми, о структуре наследственного материала и о закономерностях наследования признаков.
В античные времена и в средние века врачи и философы сообщали о своих эмпирических наблюдениях и выдвигали теоретические объяснения наиболее важных формальных признаков наследования. Например, высказывание Гиппократа: «…семя производит всё тело, здоровое семя производят здоровые части тела, больное – больные. …У лысого рождается лысый, у голубоглазого – голубоглазый, а у косого – косой, ничто не помешает рождению длинноголовых у длинноголовых…».
В средние века в науке господствовала схоластика – безрезультативное, бесплодное умствование. Это было время, когда истинные факты и ошибочные представления были перемешаны, критериев истины не было.
Следующий этап XVII - XIX в.в. – это этап бурного развития цитологии, накопления фактов и выявления основных закономерностей наследования признаков . Английский врач Адамс, живший в 1756 – 1818 гг., издал «Трактат о предполагаемых наследственных свойствах болезней».
Определяющий вклад в понимание механизмов наследования, вывод о дискретности материала наследственности и о генетической чистоте гамет сделал Грегор Иоган Мендель – чешский исследователь в 1866 г. Он является основателем научной генетики.
Третий этап – ХХ век. Законы генетики были переоткрыты в 1900 г. независимо друг от друга тремя учёными: Гуго де Фризом (Голландия), Карлом Корренсом (Германия), Эрихом Чермаком (Австрия). 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 Томаса Моргана (1910 –1920 гг.);
доказательства информационной роли ДНК и расшифровка её стереохимической структуры, сделанная Дж. Уотсоном, Фр. Криком и М. Уилкинсом (1930 – 1953 гг.);
расшифровка генетического кода и генетических механизмов синтеза белка (60-е годы);
создание технологий рекомбинантных ДНК (генная инженерия, 70-е годы);
расшифровка геномов организмов, в том числе и генома человека (1980-2000 гг.).
Постепенно эта наука заняла ключевые позиции и лидирующее положение в фундаментальной биологии.
3. Цитологические основы наследственности.
1) Клетка – основная единица биологической активности .
Клетка является основой строения любого живого организма, а при размножении – связующим звеном двух поколений. Главные части клетки: клеточная оболочка, или мембрана клетки, цитоплазма с органоидами, ядро, ограниченное от цитоплазмы ядерной оболочкой (у эукариотов, прокариоты ядер не имеют). В этом принципиальное сходство клеток организма. А отличаются они в зависимости от деятельности и места расположения в организме. Генетическая информация, которую передаёт одно поколение клеток или организмов другому, заключена преимущественно в ядре клеток. Ядро в клетке различимо только в интерфазе – периоде между её делениями.
2) Структура и функции клеточного ядра.
Ядерная оболочка состоит из наружной и внутренней мембран. Наружная переходит в ЭПС и несёт рибосомы. Оболочка пронизана ядерными порами, через которые идут обменные процессы между ядром и цитоплазмой.
Ядерный сок – кариолимфа, представляет собой однородную массу, заполняющую пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит белки, нуклеотиды, АТФ и различные виды РНК. Кариолимфа осуществляет взаимосвязь ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки.
Хроматин – вещество хромосом. Состоит из деспирализованной ДНК, соединённой с белками-гистонами в отношении 1:1,3. ДНК вместе с гистонами составляет нуклеосомы – тонкие нити, глыбки, гранулы, по виду напоминающие бусы. В делящейся клетке нити ДНК спирализуются (конденсация хроматина), образуя хорошо видимые, интенсивно окрашивающиеся структуры – хромосомы. Хромосомы ядра составляют его хромосомный набор – кариотип.
Ядрышко – одно или несколько, округлой структуры, состоят из РНК и белка, содержат липиды, ферменты. Функции ядрышек синтез р-РНК и сборка субъединиц рибосом, которые затем выходят в цитоплазму через поры в ядерной оболочке, где и завершается их сборка. Ядрышки – непостоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Образование ядрышек связано с участками вторичных перетяжек спутничных хромосом (ядрышковыми организаторами). В области вторичных перетяжек локализованы гены, кодирующие синтез рибосомальной РНК (р-РНК), а в самих ядрышках происходит формирование субъединиц рибосом.
3) Характеристика строения и классификация хромосом .
В период между делениями клетки хромосомы не видны. Они становятся видимыми, когда клетка приступает к делению и тогда хромосомы видны как две соединенные между собой нити – хроматиды.
Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей – хроматид, которые состоят из молекулы ДНК и белков-гистонов. Хроматиды соединены друг с другом в области первичной перетяжки - центромеры. Центромера делит тело хромосомы на два плеча. Плечи – это свободные концы хроматид. В зависимости от расположения центромеры различают следующие типы хромосом:
а) акроцентрические – центромера смещена от середины хромосомы к одному концу в основание плеча, получается одно плечо очень короткое, другое - намного длиннее;
б) субметацентрические – центромера также смещена от середины, но расположена так, что плечи имеют разную длину;
в) метацентрические – центромера расположена посередине, и плечи примерно одинаковой длины.
Некоторые хромосомы могут иметь вторичные перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутником, это хромосомы со спутниками.
Совокупность хромосом соматической клетки, характеризующая организм данного вида, называется кариотипом.
Хромосомы подразделяются на аутосомы - одинаковые у обоих полов пары гомологичных хромосом и гетерохромосомы, или половые хромосомы – пара разных хромосом в хромосомном наборе у мужских и женских особей.
Кариотип человека 46 хромосом: 22 пары аутосом и пара половых хромосом, ХХ у женщин и ХУ у мужчин.
В соматических клетках организмов содержится диплоидный (двойной) набор хромосом – обозначается 2n. В гаметах – гаплоидный (одинарный) набор хромосом, обозначается 1n. Диплоидный набор состоит из пар гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы это хромосомы одинаковые по строению, форме, величине и содержащие одни и те же гены. Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.
В период между делениями клетки хромосомы не видны. Они становятся видимыми, когда клетка приступает к делению и тогда хромосомы видны как две соединенные между собой нити – хроматиды.
В основе Парижской классификации хромосом человека (1971 г.) лежат методы специальной дифференциальной окраски, при которой в каждой хромосоме выявляется характерный только для неё порядок чередования поперечных светлых и тёмных сегментов. Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, имеют и одинаковое чередование полос. У них одинаковое строение (длина, расположение центромеры и т. д.).
Короткое плечо хромосом обозначают латинской буквой p , а длинное – q . Каждое плечо хромосомы разделяют на районы, нумеруемые по порядку от центромеры к теломере. В некоторых коротких плечах выделяют один такой район, а в других (длинных) – до четырёх.
Основная функция хромосом – хранение, воспроизведение и передача генетической информации при размножении клеток и организмов.
4. Временная организация клетки. Клеточный и митотический циклы.
Клеточный цикл – это период жизнедеятельности клетки от момента её появления до гибели или образования дочерних клеток. Типы деления эукариотических клеток: амитоз, митоз, мейоз.
Митотический цикл – это период жизнедеятельности клетки от момента её образования и до разделения на дочерние. Митотический цикл включает интерфазу и митоз.
Интерфаза – это период функционирования и подготовки клетки к делению, она подразделяется на три периода:
а) Пресинтетический (постмитотический) G 1 – продолжительность от нескольких часов до нескольких месяцев и даже лет. Клетка выполняет свои функции, увеличивается в размерах, в ней идёт синтез белков и нуклеотидов, накапливается энергия и вещества. Такая клетка содержит диплоидный набор хромосом, каждая хромосома имеет одну хроматиду – 2n2c.
б) Синтетический период S – продолжительность 6 – 8 часов. В клетке происходит репликация молекул ДНК и её содержание в клетке удваивается, т. е. каждая хроматида достраивает себе подобную, генетическая информация к концу периода 2n4c.
в) Постсинтетический период G 2 – продолжительность меньше, чем у предыдущих периодов. Клетка готовится к делению, накапливается энергия, синтезируются белки веретена деления, постепенно затухают все синтетические процессы, необходимые для репродукции органоидов, меняется вязкость цитоплазмы, идёт интенсивный синтез АТФ и накопление энергии, происходит репликация центриолей и начало образования веретена деления. Генетическая информация 2n4c. Клетка вступает в митоз.
2) Митоз – это основной способ деления соматических клеток. Непрерывный процесс митоза подразделяют на 4 стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу . В делящихся клетках в профазе все хромосомы сильно спирализуются, укорачиваются и приобретают компактные размеры и форму. Спирализация хромосом достигает максимума в метафазе и хромосомы удобнее всего изучать (метафазная пластинка). В анафазе центромеры каждой из хромосом разделяются и сестринские хроматиды с этого момента становятся самостоятельными дочерними хромосомами. В телофазе формируются ядра дочерних клеток: хромосомы деспирализуются, строятся ядерные оболочки, в ядре появляются ядрышки. После кариокинеза происходит цитокинез, митоз заканчивается образованием двух дочерних клеток, каждая из которых имеет двойной набор хромосом, каждая хромосома однохроматидная.
Значение митоза в точном распределении генетической информации между дочерними клетками, в поддержании постоянства числа хромосом, в увеличении числа клеток, обеспечивающих рост организма и регенерацию тканей и органов.
Эукариотические клетки могут делиться и прямым делением – амитозом. Это прямое деление клеток и ядер, находящихся в условиях физиологической и репаративной регенерации, или опухолевых клеток. При этом не происходит образования видимых хромосом и веретена деления, возникает перетяжка ядра, затем цитоплазмы, и разделение их на две части. В последнее время установлено, что при амитозе происходит также равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками, хотя механизм его не вполне ясен.
Патология митоза – эндомитоз, политения (эндорепродукция), образование новых клеток нарушается, а хромосомы продолжают удваиваться. В результате этого в клетках возникают необычайно крупные ядра. При эндомитозе происходит удвоение хромосом без деления ядра, что приводит к образованию полиплоидных клеток. При политении наблюдается многократное удвоение хроматид, но они не расходятся, и в результате образуются политенные (многонитчатые, гигантские) хромосомы, например, в слюнных железах мухи дрозофилы.
3) Мейоз – это деление половых клеток на стадии созревания, в результате которого образуются половые клетки, гаметы. Мейотическое деление протекает в два этапа – мейоз I и мейоз II . Каждое мейотическое деление подразделяют на 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.
Наиболее сложной является профаза мейоза I . На этой стадии происходит конъюгация гомологичных хромосом и кроссинговер. Хромосомы образуют биваленты, состоящие из 4-х хроматид (4-х наборов ДНК). В анафазе гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, отходят к противоположным полюсам клетки. Расхождение хромосом носит случайный характер. Содержание генетической информации у каждого полюса становится 1n2c. В телофазе происходит образование двух дочерних гаплоидных клеток, но хромосомы не деспирализуются. После окончания мейоза I наступает короткий промежуток – интеркинез, в течение которого не происходят репликация ДНК и удвоение хроматид.
Мейоз II протекает по типу обычного митоза. В анафазе этого мейоза к полюсам отходят хроматиды и содержание генетического материала становится 1n1c у каждого полюса клетки. В телофазе мейоза II после цитокинеза образуются клетки с гаплоидным набором хромосом, содержащих по одной хроматиде.
Таким образом, в результате двух последовательных делений мейоза из одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидные.
Значение мейоза в редукции числа хромосом в половых клетках для последующего восстановления набора хромосом в зиготе, в конъюгации гомологичных хромосом и рекомбинации генетического материала.
Патология мейоза – нерасхождение хромосом после конъюгации и, как следствие, избыток генетического материала или его недостаток в одной из дочерних клеток – хромосомные и геномные мутации. Также возможны мутации генные как при митозе, так и при мейозе.
5. Гетерохроматин и эухроматин.
Упоминаемый ранее порядок чередования поперечных тёмных и светлых сегментов, образующийся при дифференциальной окраске хромосом, связан с различной степенью конденсации хроматина, зависящей от его функционального состояния. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые. Они содержат прочитанную (транскрибированную) ДНК, становятся более плотными и хорошо окрашиваются как в состоянии «покоя» так и при делении клетки. Эухроматиновые участки деконденсированы, т. е. более рыхлые, в них локализована большая часть генов, это активный участок хромосомы, окрашивается неинтенсивно. В хромосомах участки эу- и гетерохроматина чередуются и позволяют сделать анализ кариотипа , чтобы выявить нарушения, которые могут приводить к аномалиям развития, наследственным болезням или гибели плодов и эмбрионов на ранних стадиях развития.
Анализ кариотипа предполагает составление кариограммы или идиограммы – это систематизированный кариотип, в котором хромосомы располагаются по мере убывания их величины. Кариограмма – микрофотография хромосом, расположенных согласно строению и величине гомологичными парами.
Техника подсчёта числа хромосом .
Взятую для анализа кровь разделяют: эритроциты осаждают 10%-ным раствором желатина или центрифугированием; лейкоциты помещают в специальную среду, содержащую 50 ингридиентов. Среди которых есть специфический белок фитогемагглютинин – вытяжка из семян бобовых. Благодаря ему лейкоциты начинают интенсивно делиться и хромосомы можно изучать на стадии метафазной пластинки. Культуру помещают в термостат в специальных флаконах на 3 дня при 37 0 С. Потом в пробу добавляют алколоид колхицин, разрушающий нити веретена деления, деление приостанавливается, хромосомы не способны расходиться к полюсам клетки. Добавляют гипотонический раствор, проводят фиксацию и окрашивание. Затем хромосомы фотографируют, микрофотографию увеличивают в размерах, хромосомы вырезают, подбирают гомологичные пары по размерам, расположению центромеры, гетеро- и эухроматиновым участкам.
6. Половой хроматин .
Различия полов обусловлены Х и У хромосомами (половыми). Половые отличия в строении ядер соматических клеток обнаружили в 1949 г. Бертрам и Барр, изучая нейроны кошки. Эти отличия присущи клеткам всех млекопитающих в период интерфазы. Интерфазные ядра содержат на переферии чечевицеподобные глыбки хроматина размерами от 1,8 до 1,2 мкм, примыкающие к ядерной оболочке и отличающиеся от ядрышек. Их назвали по имени исследователя «тельца Барра». Тельца Барра отсутствуют у самцов. Лейкоциты женщин содержат своеобразный придаток ядра, гомолог телец Барра, «барабанные палочки». Это - половой хроматин . Его наличие в клетках женщин связано с Х-хромосомами, которых у женщин две. Одна из них генетически менее активная, синтез ДНК в ней идёт позднее, она гетерохроматичная, окрашивается иначе, чем её гомолог. У мужчин половые хромосомы разные – Х и У, и они обе одинаково активны в интерфазе.
Хроматин половой – это отличия в интерфазном ядре соматических клеток особей женского пола у млекопитающих. По периферии ядер располагается глыбка хроматина – «тельце Барра», а в ядрах лимфоцитов находится придаток «барабанная палочка». У человека «тельца Барра» легче обнаружить в соскобе эпителия слизистой оболочки ротовой полости (буккального эпителия). Для выявления Х-хроматина окрашивание мазков проводят ацеторсеином и препараты просматривают в обычном световом микроскопе. Этот метод позволяет определить количество Х-хромосом в кариотипе. «Телец Барра» и «барабанных палочек» всегда на единицу меньше, чем число Х-хромосом.
Техника исследования полового хроматина - см. стр. 50 пособие по генетике Карузиной.
Исследования полового хроматина имеют диагностическое значение и используются при экспресс-анализе в скрининге. При обследовании больших групп людей на выявление каких-либо состояний (болезней или носительства) с целью активной профилактики тяжелых форм болезней, т. е.предположительного выявления не диагностированной ранее болезни с помощью простых методов, дающих быстрый ответ - массовый скрининг .
7. Современные методы хромосомного анализа .
Изучением строения и функций хромосом занимается наука цитогенетика. Суть цитогенетических методов при всём разнообразии отдельных этапов заключается в микроскопическом анализе хромосом, позволяющем выявить числовые и структурные изменения хромосомного набора. Методы цитогенетического исследования можно условно подразделить на прямые и непрямые. Прямые методы – это получение препаратов делящихся клеток без культивирования. Непрямые – это получение препаратов хромосом из клеток, культивированных в искусственных питательных средах.
Важный момент для анализа хромосом является их окрашивание:
сплошное или равномерное рутинное окрашивание (красители азур-эозин или краситель Гимза), позволяет провести подсчёт хромосом и их групповую принадлежность, проанализировать повреждения хромосом (хромосомные аберрции), но не позволяет провести индивидуальную идентификацию хромосом;
метод дифференциального окрашивания хромосом (красители Гимза, флуоресцирующий краситель акрихин или акрихин-пирит), позволяет идентифицировать все хромосомы благодаря линейному рисунку – продольной окрашиваемости для каждой хромосомы в соответствии с типом окраски;
молекулярно-цитогенетический метод гибридизации (флуоресцентная гибридизация), основана на обработке препаратов хромосом специфическим ДНК-зондом, который присоединяется к исследуемой хромосоме и, после обработки специальными соединениями и флуоресцентными красителями, препарат исследуют с помощью флуоресцентного микроскопа; это самый высокий разрешающий уровень анализа хромосом, позволяющий определить локализацию гена и расшифровать сложные перестройки хромосом.
Методы цитогенетической диагностики часто используют в комплексе с другими, что позволяет более точно диагностировать сложные проявления наследственной патологии. Особое значение эти методы имеют при оказании помощи больным педиатрического, акушерско-гинекологического и эндокринологического профилей.
Все вопросы назначения того или иного цитогенетического исследования осуществляются при медико-генетическом консультировании. Проблемы, решаемые лабораторными цитогенетическими методами, следующие:
Подозрение на хромосомную болезнь по клинической симптоматике;
Наличие у ребёнка множественных врождённых пороков развития (МВПР);
Многократные спонтанные аборты, мёртворождения или рождение детей с пороками развития;
Нарушение репродуктивной функции неясного генеза у мужчин и женщин (первичная аминоррея, бесплодный брак идр.);
Существенная задержка умственного и физического развития ребёнка;
Пренатальная диагностика (риск по возрасту, при рождении предыдущего ребёнка с хромосомной болезнью);
Оценка мутагенных воздействий (радиационных, химических).
Участие цитогенетиков в анализе трудных случаев приводит к более точной диагностике и своевременному лечению и предупреждению рождения больного ребёнка.
Вопросы для фронтального опроса.
1. Генетика – наука о наследственности и изменчивости.
Предмет, цели и задачи медицинской генетики. Методы генетики?
Значение генетики для медицины? (Овладение основами медгенетики широкими врачебными кругами с целью большего использования генетических подходов при диагностике болезней, их лечении и профилактике.)
Медицинская генетика как раздел антропогенетики, одна из отраслей здравоохранения, её достижения?
2. История генетики человека.
Донаучные представления о передаваемых по наследству различиях между людьми?
Современные достижения генетики?
3. Цитологические основы наследственности.
Главные части клеток. Клетки соматические и генеративные, половые клетки – гаметы. Хромосомный набор соматических и половых клеток?
Основные типы деления эукариотических клеток (митоз, мейоз, амитоз)?
Материальные носители наследственности?
Что такое митотический цикл?
Кариотип, кариограмма?
Хромосомы в метафазу, метафазная пластинка? Хроматин. Понятие о гетерохроматине и эухроматине.
Половой хроматин. Диагностическое значение исследования полового хроматина. -Различия полов, половые отличия в строении ядер соматических клеток млекопитающих, тельца Барра?
Современные методы хромосомного анализа? Методы дифференциальной окраски хромосом. В чём их суть?
Пренатальная диагностика, массовый скрининг?
Цитологические основы наследования. Передача генетического материала.
Строение и функции эукариотической клетки
Основные виды деления эукариотической клетки. Клеточный цикл.
Строение и функции метафазных хромосом человека
Кариотип человека
Генетические механизмы преемственности наследственных свойств: митоз, мейоз. Биологическое значение мейоза. Патология митоза.
Развитие сперматозоидов и яйцеклеток у человека.
Положения СКТ
клетка – элементарная структурная, функциональная и генетическая единица. Все живые организмы, кроме вирусов и фагов, состоят из клеток. Клетки Ж и Р сходны по строению, хим.составу, принципам жизнедеятельности. Клетки имеют малые размеры о 0,01 до 0,1мм
клетка – элементарная ед. развития живого. Каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской). Все живые организмы развиваются из 1 или групп клеток
клетка – функциональная ед. в многоклеточном организме. Клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют органы и ткани. Различают соматические (клетки тела) и генеративные (половые)
клетка – элементарная живая система, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.
В зависимости от структурных особенностей клетки делятся на прокатиотические
(бактерии и СЗ водоросли- предъядерные) и эукариотические
– имеют более высокоразвитые живые организмы – грибы, растения, животные в т.ч. и человек. Особенности: наличие ядра с ядерной оболочкой и цитоплазмы с органоидами.
Основные компоненты Эукариотической клетки
Плазматическая мембрана (клеточная мембрана) – отделяет клетку от окружающей среды, с её помощью взаимодействует с окр.средой и другими клетками. Состоит из 2-х слоев липидов, гидрофильные части обращены к внешним сторонам, а гидрофобные участки – внутрь. Там же могут располагаться молекулы белков (снаружи, внутри или пронизывают мембрану насквозь). На наружной поверхности билипидного слоя имеются также и углеводы в виде гликолипидов или гликопротеидов. В животных клетках углев.компонент плазматической мембраны наз-ся гликокаликсом .
Функции плазматической мембраны:
Регуляция обмена в-в между клеткой и окр.средой, обеспечивая постоянство внутриклеточного состава
Обладая избирательной проницаемостью мембрана ограничивает или исключает доступ в клетку одним в-вам и пропускает другие
Сохраняет форму клетки, защищая её от повреждений
Участвует в формировании контактов с другими клетками
Через мембрану молекулярные частицы могут перемещаться путем пассивного транспорта без затраты энергии (простая диффузия, осмос или с помощью белков-переносчиков) и
активного транспорта – позволяет накачивать в клетку молекулы против градиента концентрации и затратой энергии
внутреннее содержимое клетки – цитоплазма (гиалоплазма, матрикс) – состоит из основного в-ва и разнообразных структур: коллоидная масса – вода + органические и неорганические в-ва, способна менять вязкость. В основном в-ве протекают биохим. процессы.
органоиды – постоянные компоненты клетки, имеющие специфические функции – ЭПС, пластинчатый комплекс Гольджи , лизосомы, митохондрии, рибосомы, микротрубочки, центрисома, микрофиламенты
ЭПС – мембрана, пронизывающая всю цитоплазму комплексов полостей и канало.. на ЭПС расположены рибособы, имеющие значение для синтеза белковых молекул. ЭДС содержит ферменты для образования липидов, осуществляет транспорт различных в-в внутри клетки.
Аппарат Гольджи (пластинчатый комплекс) – включает до 20 уплощенных дисковидных полостей. В них органические в-ва подвергаются преобразованиям и транспортируются к различным структурам клетки
Разделение макромолекул до простых соединений осуществляется в лизосомах – пузырьках, окруженных одиночной мембраной, содержащей набор ферментов. С их помощью клетка получает сырье для химических и энергетических процессов.
Митохондрии – в них вырабатывается энергия. Самые крупные органоиды клетки. Имеют 2 слоя мембраны – наружный – гладкий, внутренний – складки кристы). Митохондрии содержат кольцевидную ДНК, свои рибосомы, РНК, ферменты, участвующие в окислительно-восстановительном процессах
Рибосомы – многочисленный органоид клетки: 2 субъединицы – большая и малая, сформированные из молекул рибосомальной РНК и белков. Главная из функция – участие в биосинтезе белков
Аппарат Гольджи – его функция – транспорт веществ и химическая модификация поступающих в него клеточных продуктов.
Лизосомы – имеют вид мешочков, содержат ферменты, расщепляющие нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды, т.е. лизососы – пищеварительная система клетки. В случае разрушения мембраны лизосом происходит аутолизис (самопереваривание)
Микротрубочки и микрофиламенты – сократительные белки, имеющие нитевидную структуру. Располагаются вдоль всей цитоплазмы клетки. Формируют цитоскелет, организуют движение органоидов, перемещение хромосом при делении клетки.
Пероксисомы – тельца овальной формы, содержат фермены окисления аминокислот и каталазу. При метаболизме а/к образуется н2о2, а каталаз выполняет защитную функцию, т.к. н2о2 является токсичным соединением для клетки.
Центрисома (клеточный центр) – состоит из 2-х центриолей – участвуют в митотическом делении клеток
Специализированные органоиды – обеспечивают специфические функции – миофибриллы мышечного волокна, нейрофибриллы и синаптические пузырьки нервных клеток, микроворсинки эпителиальных клеток.
ЯДРО – открыто в 1831г Р.Брауном. как правило 1 ядро, но встречаются и многоядерные клетки. Некоторые клетки могут в процессе специализации утрачивать свои ядра (Эр) . форма – шаровидная или яйцевидная. Составная часть ядра – ядерная оболочка и кариоплазма(содержит хроматин - хорошо окрашиваемые гранулы и нитевидные структуры, содержит ДНК в комплексе с белками и ядрышки- только в неделящихся клетках- центр образования субчастиц рибосом ). Состояние спирализованности дает возможность реализации наследственной информации и удвоения генетического материала. В процессе деления спирализация хроматина увеличивается, что приводит к формированию хромосом. Ядро выполняет важные ф-ции по хранению и использованию наследственной информации, регулирует всю жизнедеятельность клетки в 1866г Эрнст Геккель связал наследственность с ядром.
Ядрышко – самая плотная структура ядра, в нем образуются рибосомальные РНК и рибосомы.
Жизненный цикл клетки
Весь период существования – от возникновения до деления или гибели клетки называют клеточным циклом.
Вновь появившаяся клетка первоначально растет , дифференцируется, выполняет свои специфические функции – это время – период покоя .
Образование клеток возможно только путем деления, поэтому важной частью ЖЦК является митотический цикл, включающий подготовку к делению (интерфазу) и само деление.
Интерфаза включает 3 периода –
пресинтетический - G 1 - клетка растет, осуществляется синтез белка и РНК, накапливает богатые энергией в-ва. – продолжительность разная – около 10 часов в среднем.
синтетический – G 2 – удвоение генетического материала, необходима для того, чтобы вновь образовавшиеся клетки имели тот же геном, как и их предщественница.. продолжается синтез белка и РНК – около 9 часов.
постсинтетический – G 2 – клетка готовится к делению, накапливая энергию и белки, увеличивается кол-во митохондрий, делится центросома – фаза =4часа
Основные типы деления эукариотических клеток
3 типа деления:
амитоз - прямое деление, делится путем прямой перетяжки, наследственный материал распределяется неравномерно. Возможно образование двухядерных клеток. Амитоз- редкое явление, характерен для погибающих или измененных клеток – например, опухолевых.
митоз - непрямое деление соматических клеток – в результате деления образуются 2 её точные копии. в быстро делящихся клетках, например, эмбриональных, ЖЦ практически совпадает с митотическим циклом. Это универсальный способ увеличения кол-ва или замещения погибших эукариот.клеток
мейоз – редукционное деление половых клеток. Оно приводит к уменьшению содержания наследственного материала во вновь образовавшихся клетках, при этом в родительской клетке происходит однократное удвоение хромосом (репликация ДНК, как при митозе), затем следуют 2 цикла клеточных и ядерных делений. т.о. сохраняется постоянство набора генетических структур у потомков при слиянии половых клеток родителей
Хромосома – структурный элемент клеточного ядра дезоксирибонуклеиновой природы.
Хромосомы человека впервые наблюдали Арнольд (1879) и Флеминг(1882) в периоде митоза. Затем многие ученые изучали эти структуры клеточного ядра. Однако, только в 1955г. Трио и Леван установили, что в большинстве клеток человека – 46 хромосом. Открытие в 1959г патологических изменений в наборе хромосом при болезни Дауна привело к возникновению нового раздела генетики человека – учения о хромосомных болезнях.
Хромосомы – (окрашенные тельца) формируются в начале деления клеток из хроматина интерфазного ядра. Х – основные носители наследственной информации, передаваемой из поколения в поколение у большинства живых организмов.
Хроматин состоит из молекул ДНК , связанных белками. Эти нити можно рассмотреть только в электронный микроскоп. Они составлены из расположенных друг за другом микрочастиц – нуклеосом, Ø10нм.
Нуклеосома имеет белковый остов, вокруг которого закручена молекула ДНК.
Во время деления нити хроматина сильно спирализуются, закручиваются и утолщаются, формируя видимые в световой микроскоп хромосомы. Имеет белковый остов вокруг которого закручена молекула ДНК.
Именно поэтому, основные сведения о строении хромосом были получены во время митоза.
Так как моменту деления хромосомы удвоены, то в световой микроскоп они видны состоящими из 2-х нитей – хроматид. Они объединены между собой в области первичной перетяжки – центромера – она делит хромосому поперек и на 2 части – плечи (которые бывают короткие и длинные)
В зависимости от расположения центромеры различают 3 типа хромосом:
Метацентрические – центромера в центре, плечи равны.
Субметацентрические – центромера сдвинута к одному концу хромосом, плечи 1
Акроцентрические – визуально можно увидеть у хромосомы только длинные плечи.
Некоторые хромосомы могут иметь дополнительные перетяжки – вторичные –спутник – если перетяжка близко к концу хромосомы. У человека спутника имеются у 5 пар хромосом – 13-15я и 21-22 пары.
Каждый биологический вид имеет свой набор хромосом; у человека их сорок шесть.
Совокупность всех структурных и количественных особенностей полного набора хромосом характерных для клеток конкретного данного вида живых организмов называется кариотипом.
Кариотип будущего организма формируется в процессе слияния 2-х половых клеток – яйцеклетки и сперматозоида. При этом объединяются хромосомные наборы.
Рис.. Для составления кариотипа делящиеся клетки распределяют на пластине, чтобы их хромосомы были отчетливо видны, и фотографируют (а). Затем гомологичные хромосомы на фотографии распределяют по парам и выстраивают по размеру так, чтобы значительно облегчить их исследование.
Ядро зрелой клетки содержит половину набора хромосом – 23 - одинарный набор хромосом называется гаплоидным, при оплодотворении в организм воссоздается специфический для данного вида кариотип. Полный набор хромосом (46) обычной соматической клетки диплоидный (2п)
Хромосомы человека, как и многих животных, можно распределить по парам. Сорок шесть человеческих хромосом образуют 23 пары (рис. 5.36). Расположив их на фотографии по порядку, получаем кариотип, то есть набор хромосом, с помощью которого можно диагностировать некоторые генетические заболевания.
Две внешне одинаковые хромосомы называются гомологичными (они не только похожи внешне, но и содержат гены, отвечающие за одни и те же признаки) .
Если располагать их по порядку, начиная с самых длинных, то мы подойдем к самой короткой паре, от которой зависит различие между мужчинами и женщинами.
У женщин ровно 23 пары хромосом, но у мужчин две последние хромосомы остаются непарными, причем одна из них чрезвычайно короткая.
Эта короткая хромосома называется Y -хромосома, а более длинная - Х-хромосома.
У женщин 23-я пара содержит две Х-хромосомы.
Понятно, что хромосомы X и Y определяют пол человека (половые). Остальные 22 пары гомологичных хромосом называются аутосомами .
Очевидно, что у каждого человека по две одинаковые хромосомы, потому что у всех два родителя.
Развитие человеческого организма начинается с оплодотворения сперматозоидом яйцеклетки; в каждой гамете содержится по 23 хромосомы, по одной каждого типа, а в образующейся зиготе содержится уже по две хромосомы каждого типа.
Все аутосомы разделены на 7 групп: А (1,2,3), В (4,5) , С(6-12), D(13-15), E(16-18), F(19-20), G (21-22).
Наследственная информация организма строго упорядочена по отдельным хромосомам. Криотип – паспорт вида. Кариотип человека представлен 24 хромосомами, 22 аутотосомы, х и у хромосомы.
Анализ кариотипа позволяет выявить нарушения, которые могут приводить к аномалиям развития, наследственным болезням или гибели плода и эмбриона на ранних стадиях развития. Т.е. для нормального развития необходим набор генов полного хромосомного набора.
Митоз, его сущность. Патология митоза
Поведение хромосом в процессе митоза обеспечивает строго равное распределение наследственного материала между дочерними и материнскими клетками
Митоз – непрерывный процесс, имеющий 4 стадии:
Профаза – нити хроматина начинают закручиваться, спирализуются. Хромосомы укорачиваются и утолщаются, становятся доступными для микроскоприрования. Ядрышко исчезает, ядерная оболочка распадается. Центрисома делится на 2 центриоли, которые перемещаются к разным полюсам клетки. Из белка тубулина образуются микротрубочки – нити ахроматинового веретена. Хромосомы концентрируются в центре.
Метафаза – хромосомы мах спирализованы и расположены в плоскости экватора клетки – удобно рассматривать в световой микроскоп. Нити веретена деления от разных полюсов прикрепляются к центромерам всех хромосом.
Анафаза – хар-ся разделением хромосом в области центромеры на 2 хроматиды. Нити веретена деления сокращаются и растаскивают хроматиды каждой хромосомы к разным полюсам клетки. Самая короткая фаза митоза.
Телофаза – деспирализация хромосом, превращение их опять в тонкие нити хроматина, невидимые в световой микроскоп. Вокруг каждой группы дочерних клеток обр-ся ядерная оболочка, появляются ядрышки. Нити веретена деления распадаются
Митоз заканчивается образованием 2-х клеток количественно и качественно идентичных материнской клетке.
Удвоение хромосом и в интерфазе митоза, распределение равномерное хроматид между дочерними и клетками обеспечивает поддержание постоянства ген.информации в ряду поколений клеток, служит основой роста и развития организма.
Патология митоза
Различные факторы внешней среды могут нарушать процесс митоза и приводить к появлению аномальных клеток.
Выделяют 3 типа нарушений:
Изменение структуры хромосом –
Б) хромосомы могут отстать от других в анафазе и не попасть в свою клетку. Это приведет к изменению кол-ва хромосом в дочерних клетках – анеуплоидии.
Повреждение веретена деления – нарушается ф-ция распределения хромосом между дочерними клетками – возможно появление клеток, содержащих значительный избыток хромосом (например 92). Подобное действие характерно для противоопухолевых препаратов – так тормозится рост клеток опухолей.
Нарушение цитотомии – т.е. отсутствие деления цитоплазмы клетки в периоде телофазы. Так образуются двуядерные клетки
Патология митоза может приводить к появлению мозаицизма – в одном организхме можно обнаружить клоны клеток с разным набором хромосом (например – часть клеток содержит 46 хромосом, а другие – 47).
Мозаицизм формируется на ранних стадиях дробления зародышевых клеток.
Как правило, нарушения кариотипа у человека сопровождаются множественными пороками развития ; большинство таких аномалий несовместимо с жизнью и приводят к самопроизвольным абортам на ранних стадиях беременности.
Однако достаточно большое число плодов (2.5%) с аномальными кариотипами донашивается до окончания беременности.
Мейоз
Вид деления, при котором количество хромосом уменьшается наполовину с диплоидного до гаплоидного, состоящий из 2-х последовательных делений ядра.
называется мейоз. При каждом оплодотворении изначальное количество хромосом восстанавливается.
Половое размножение, таким образом, можно представить себе как следующий большой цикл событий:
В половых железах (гонадах) взрослого организма - семенниках и яичниках - некоторые клетки размножаются посредством мейоза, образуя соответственно сперматозоиды и яйцеклетки, то есть гаплоидные клетки. Эти гаметы содержат по одному набору из 23 хромосом. При оплодотворении образуется зигота с двойным набором хромосом; а при митотическом делении из нее вырастает взрослый организм, и цикл начинается сначала.
Механизм деления - образование центриоли, веретена и т. п. - при мейозе тот же самый, что и при митозе, только хромосомы ведут себя при этом несколько иначе.
Мейоз
Рис. 5.4. Процесс мейоза (в общих чертах) в клетке с двумя парами хромосом; одна из парных хромосом обозначена жирной линией, другая пунктирной.
Профаза I: хромосомы становятся видимыми и образуют пары.
Метафаза I: парные хромосомы выстраиваются напротив друг друга в середине клетки.
Анафаза I: каждая из парных гомологичных хромосом полностью отходит к одному из полюсов клетки. Обратите внимание: хроматиды не расходятся и по-прежнему соединены центромерами.
Телофаза I: начальное деление завершается.
Профаза II: хромосомы снова становятся видимыми, как и при митотическом делении.
Метафаза II: хромосомы снова выстраиваются посреди клетки.
Анафаза II: на этот раз хроматиды отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам.
Телофаза II: деление заканчивается образованием четырех гаплоидных клеток
Биологическое значение мейоза:
Половое размножение – этот процесс обеспечивает постоянство числа хромосом в ряду поколений размножающихся половым путем организмов.
Генетическая изменчивость – создает возможность для новых генных комбинаций. Это ведет к изменениям в генотипе и фенотипе потомства.
Простое нерасхождение:
При патологии мейоза 1 все зрелые гаметы будут иметь пат.набор хромосом
Мейоз 2 – кол-во хромосом только в части гамет изменяется.
Последовательное нерасхождение – затрагивает оба деления 1 и 2, нормальные гаметы не образуются.
Двойное нерасхождение – крайне редко – мейоз поврежден у обоих родителей.
Можно выделить также и первичное, вторичное и третичное нерасхождение хромосом.
Процесс мейоза может нарушаться под влиянием различных внешних неблагоприятных факторов.
Сбалансированные изменения хромосом в кариотипе человека не нарушают состояние здоровья у человека.
Развитие сперматозоидов и яйцеклеток у человека.
Гаметогенез подразделяется на сперматогенез (процесс образования сперматозоидов у самцов) и оогенез (процесс образования яйцеклетки). По тому, что происходит с ДНК, эти процессы практически не отличаются: одна исходная диплоидная клетка дает четыре гаплоидные. Однако, по тому, что происходит с цитоплазмой, эти процессы кардинально различаются.
В яйцеклетке накапливаются питательные вещества, необходимые в дальнейшем для развития зародыша, поэтому яйцеклетка – это очень крупная клетка, и когда она делится, цель – сохранить питательные вещества для будущего зародыша, поэтому деление цитоплазмы несимметрично. Для того чтобы сохранить все запасы цитоплазмы и при этом избавиться от ненужного генетического материала, от цитоплазмы отделяются полярные тельца , которые содержат очень мало цитоплазмы, но позволяют поделить хромосомный набор. Полярные тельца отделяются при первом и втором делении мейоза.
При сперматогенезе цитоплазма исходного сперматоцита первого порядка делится (первое деление мейоза) поровну между клетками, давая сперматоциты второго порядка. Второе деление мейоза приводит к образованию гаплоидных сперматоцитов второго порядка. Затем происходит созревание без деления клетки, большая часть цитоплазмы отбрасывается, и получаются сперматозоиды, содержащие гаплоидный набор хромосом очень мало цитоплазмы.
Сперматозоид имеет головку, в которую плотно упакована ДНК. Головка сперматозоида окружена очень тонким слоем цитоплазмы. На ее переднем конце находится структура, называемая акросомой. Эта структура содержит ферменты, позволяющие сперматозоиду проникнуть через оболочку яйцеклетки.
Созревание спермиев происходит в семенных канальцах тестикул. При превращении исходной клетки, сперматогония, в сперматоцит, сперматиды и зрелый сперматозоид происходит перемещение клетки от базальной мембраны семенного канатика к его полости. После созревания сперматозоиды отделяются, попадая в просвет семенных канальцев, и готовы к движению в поисках яйцеклетки и оплодотворению. Процесс созревания длится примерно три месяца. У особей мужского пола процесс созревания сперматозоидов – сперматогенез – начинается с возраста половой зрелости и продолжается затем до глубокой старости.
Существенно отличается процесс созревания яйцеклетки – оогенез. Во время эмбрионального развития млекопитающих возникает большое количество яйцеклеток, и к рождению самки в ее яичниках уже находится порядка 200-300 тысяч яйцеклеток, остановившихся на первой стадии деления мейоза. В период полового созревания яйцеклетки начинают реагировать на половые гормоны , Регулярные циклические изменения гормонов впоследствии вызывают созревание яйцеклетки, обычно одной, иногда двух или больше. Когда для лечения бесплодия женщине делают инъекции половых гормонов, чтобы индуцировать созревание яйцеклеток, избыток этих гормонов может привести к созреванию нескольких яйцеклеток, и как следствие этого – многоплодной беременности. Яйцеклетка созревает в пузырьке, называемом фолликулом.
