Учебное пособие для студентов I курса ставрополь 2015 (07. 07) Ббк 28. 04 я 73
Скачать 9.06 Mb.
|
        Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации КАФЕДРА БИОЛОГИИ М.Г. Гевандова, А.Б. Ходжаян, Н.Н. Федоренко, Т.С. Николенко УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ I КУРСА 
Ставрополь 2015 УДК: 575. 191. 057. 875 (07.07) ББК 28. 04 я 73 К 11 Гевандова М.Г. К НЕКОТОРЫМ ВОПРОСАМ ОБЩЕЙ И МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ: учебное пособие для студентов первого курса лечебного, педиатрического, стоматологического факультетов СтГМУ / М.Г. Гевандова, А.Б. Ходжаян, Н.Н. Федоренко, Т.С. Николенко – Ставрополь: Изд-во СтГМУ. – 2015 – 97 с. Настоящее пособие дает возможность в кратком курсе изучения биологии в медицинском вузе составить четкое современное представление студенту первого года обучения о некоторых фундаментальных и прикладных положениях, касающихся, в частности, строения хромосом и организации кариотипа человека; медицинского и экологического аспектов генетики человека. Разделы пособия соответствуют последовательности изучения предмета на кафедре биологии Ставропольского государственного медицинского университета. Рецензенты: Мануйлов И.М., профессор кафедры ботаники, зоологии, общей биологии Северо-Кавказского федерального университета, доктор ветеринарных наук. Радцева Г.Л., зав. кафедрой гистологии Ставропольского государственного медицинского университета, доцент, кандидат медицинских наук. УДК: 575. 191. 057. 875 (07.07) ББК 28. 04 я 73 К 11 Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом СтГМУ. © Ставропольский государственный медицинский университет, 2015
Уже давно ни у кого не вызывает сомнения необходимость биологической образованности врача любой специальности. При всей сохраняющейся и по сей день сложности объяснения природы человека он - часть природы, существующей на нашей планете, а вместе с ней - и часть мироздания. Естественно и то, что он подчиняется общим принципам состава и структуры живых организмов, их развития и управления основными функциями, что не умаляет его уникальности, как и любого другого биологического вида. Нормальное функционирование человеческого организма возможно при условии сохранения в нем гармонии общебиологического и уникального. Поэтому студент уже первого курса должен владеть основами той информации, которая, во-первых, позволит ему составить соответствующее современным положениям науки представление о материальных основах жизни и, во-вторых, определить основные формы и направления взаимоотношения человека с окружающим его миром. Кроме того, у студента должно быть четко сформировано понимание и конкретное знание того, что фундаментальные положения биологии являются основой медицинского аспекта науки о человеке. Непосредственная задача этого учебного пособия:
СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ХРОМОСОМ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ Одним из ключевых вопросов генетики является вопрос о строении и особенностях функционирования материальных носителей наследственности. Последние имеют три основных уровня организации: генный, хромосомный, геномный. Раздел генетики, который изучает химическую организацию, строение, значение и функционирование хромосом, называется цитогенетикой. Для медико-биологического образования особый интерес представляет цитогенетика человека, объектом изучения которой являются хромосомы человека. В истории развития этого раздела генетики можно выделить три периода, переходящих друг в друга.
Начиная с 1956 года, цитогенетика человека получает бурное развитие. В этот период разрабатываются все основные методы хромосомного анализа, появляются фундаментальные работы по кариотипу человека. Третий период в развитии цитогенетики начинается в 70-х годах. Его по праву можно считать началом современного этапа в развитии науки о цитологических основах наследственности человека. К этому периоду стало возможным изучение индивидуальных особенностей хромосом человека и их отдельных участков. Появились сведения о надмолекулярной организации хромосом, стали создаваться их генетические карты. Строение хромосом на микроскопическом уровне Хромосомы как отдельные структуры становятся доступными для исследования только после значительной конденсации хроматина, которая наступает во время митоза (в соматических клетках) либо во время мейоза (при образовании половых клеток). Начавшаяся в профазе конденсация хроматина заканчивается в метафазе, поэтому, как правило, хромосомы изучаются на стадии метафазной пластинки. В интерфазе хромосомы находятся в деконденсированном состоянии, и определить их как отдельные структуры не представляется возможным. В метафазе каждая хромосома имеет как бы иксобразную форму и состоит из двух идентичных половин - хроматид (сестринских хромосом), тесно прилежащих друг к другу только в области первичной перетяжки (центромеры), а на остальном протяжении между хроматидами видна большая щель. Центромера - это тот участок, где хромосома находится в деконденсированном состоянии, и к ней прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит хромосомы на плечи (рис. 1). По положению центромеры выделяют три вида хромосом. 1. Метацентрические, у которых плечи имеют примерно одинаковую длину (т.е. центромера расположена посередине хромосомы). 2. Субметацентрические, у которых центромера смещена от середины, располагается субмедиально и делит хромосому на два плеча неравной длины. Верхнее всегда меньшее. З. Акроцентрические, у которых центромера расположена почти на конце хромосомы, отделяя от длинного плеча очень короткое верхнее плечо. 
Рисунок 1. Метафазные хромосомы. Верхние короткие плечи принято обозначать буквой "р", а нижние длинные - буквой "q". Характерной чертой для некоторых хромосом является наличие вторичных перетяжек, они возникают в участках неполной конденсации хромосом и располагаются в околоцентромерных участках 1-й, 9-й и 16-й хромосом. Вторичные перетяжки имеются также в 13-15 и 21 -22-й хромосомах, однако здесь они занимают удаленное от центромеры положение, отделяя небольшой концевой участок короткого плеча хромосом в виде спутника. Эти хромосомы назы  Рисунок 2. Строение хромосомы.
вают спутничными. В этих хромосомах в области вторичной перетяжки сосредоточены гены, кодирующие р-РНК, и в прилежащих участках кариоплазмы образуются ядрышки. Поэтому такого рода вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами (рис.2). В хромосомных наборах одних людей указанные хромосомы имеют вторичную перетяжку, а в этих же хромосомах у других людей её может не быть.
Каждая хроматида, а в промежутке времени анафаза- S -период интерфазы и хромосома, содержит одну молекулу ДНК, которая определяет все функции хромосомы, связанные с хранением наследственной информации, её передачей и реализацией. 
Рисунок 3. Химический состав хромосом. Молекула ДНК в хромосомах тесно связана с двумя классами белков - гистонами (основные белки) и негистонами (кислые белки). Гистоны - это небольшие по величине белки с высоким содержанием заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет гистонам связываться с ДНК независимо от нуклеотидного состава. Им принадлежит в основном структурная функция. Это очень стабильные белки, молекулы которых могут сохраняться в течение всей жизни клетки. В эукариотической клетке присутствуют 5 типов гистонов, которые распределяются на две основные группы: первая группа (их обозначают как Н2А, Н2В, НЗ, Н4) отвечает за формирование специфических дезоксирибонуклеопротеидных комплексов - нуклеосом. Вторая группа гистонов (H1) располагается между нуклеосомами и фиксирует укладку нуклеосомной цепи в более высокий уровень структурной организации (супернуклеосомную нить). Среди гистоновых белков, кроме структурных, встречаются такие, которые способны ограничивать доступность ДНК для ДНК - связывающих регуляторных белков и тем самым участвовать в регуляции активности генов. Негистоновые белки весьма разнообразны. Число их фракций превышает 100. Они присутствуют в меньших количествах в хромосомах в сравнении с гистонами и выполняют в основном регуляторную функцию. Участвуют в регуляции транскрипционной активности генов, в обеспечении редупликации и репарации ДНК. Большинство негистоновых белков хроматина присутствуют в клетках в небольшом количестве (минорные) - это регуляторные белки, узнающие специфические последовательности ДНК и связывающиеся с ними. Они вовлечены во многие генетические процессы, но известно о них пока немного. Количественно преобладают негистоновые белки (мажорные), высокоподвижные, относительно малого размера, с большим электрическим зарядом - они всегда соединяются с нуклеосомами, содержащими активные гены. Кроме того, в группу негистоновых белков входит много ферментов. Надмолекулярная организация хромосом Надмолекулярная организация хромосом называется еще или спирализацией, или конденсацией, или компактизацией. В настоящее время принято три уровня надмолекулярной организации хромосом: первичный, вторичный, третичный. Компактизация ДНК для эукариотической клетки важна по двум причинам: она позволяет не запутать и упорядоченно расположить очень длинные молекулы ДНК в небольшом объеме клеточного ядра и, кроме того, это один из способов функционального контроля генов - характер упаковки ДНК влияет на активность некоторых участков генома.
В случае линейной выпрямляемости, которая едва ли присутствует в живой клетке, образуемая нуклеосомами структура напоминает нитку "бус" и называется нуклеосомной нитью. Благодаря нуклеосомной организации хромосом происходит укорочение исходной длины ДНК в 7раз, т.е. происходит компактизация. Это, видимо, состояние интерфазной хромосомы, ее эухроматиновых участков. Дальнейшая компактизация ДНК в составе хромосом связана с образованием наднуклеосомных структур. Так, вторичный уровень хромосомной укладки ДНК выражается в формировании суперспиральной нити (соленоида), в которой исходная молекула ДНК укорачивается в 40раз. Толщина достигает 30-40 нм. При образовании суперспирали нуклеосомная нить спирально закручивается за счет взаимодействия гистонов HI и НЗ. Не исключено также и участие в этом негистоновых белков (рис. 5). Этот уровень укладки ДНК соответствует, по-видимому, наблюдаемым под световым микроскопом профазным митотическим и мейотическим хромосомам. Или интерфазным, но не транскрибируемым, возможно, участкам хромосом, т. е. гетерохроматиновым.
Существует две модели: в основу первой положен принцип спиральной укладки, в основе второй - строение по принципу складывания петель. В последние годы накоплен многочисленный материал, говорящий о реальности петлеобразных структур в хромосоме и их плотной упаковке в метафазной хромосоме вокруг осевого каркаса, построенного из негистоновых белков. Петлевые структуры, но не плотно упакованные, есть и в интерфазной хромосоме. Вокруг каркаса, как в щетке-ерше, располагаются петли суперспиральной нити. Причем концы каждой петли локализуются на одной и той же точке белкового каркаса. Предполагается также, что петли могут скручиваться вокруг своей собственной оси, т.е. метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель (рис. 6). Третий уровень укладки - это конденсация профазной хромосомы в метафазную. Толщина такой структуры достигает 1400 нм (две хроматиды), а молекула ДНК при этом укорачивается в I04 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул HI. В любом случае ДНК в ядрах эукариотических клеток образует иерархическую систему спиралей и петель, основной единицей которой является нуклеосома. Нуклеосомы, в свою очередь, расположены не везде строго одинаково. Эти малозаметные и малоизученные различия биологически очень важны, т.к., по-видимому, они преимущественно происходят в тех областях хроматина, где находятся активные гены. В S-период интерфазы процесс репликации каким-то образом, как - неизвестно, проходит через нуклеосомы родительской цепи хроматина, которые переходят на одну из дочерних спиралей ДНК. Тогда все новые октамеры гистонов присоединяются ко второй дочерней спирали ДНК, свободной от нуклеосом. 
Нуклеосомная структура сохраняется и во время транскрипции ДНК, хотя довольно трудно представить себе, как РНК-полимераза может транскрибировать ассоциированную с гистонами ДНК без каких-либо заметных измене ний в организации нуклеосомы. Но в клетках эмбрионов насекомых в области активированных генов для р-РНК, по-видимому, нуклеосомы отсутствуют. И биохимические отличия между транскрибируемым активным и неактивным хроматином обнаружены. В частности, H1 соединен с нуклеосомами гораздо менее прочно в активном хроматине, и вообще гистоны в этих участках обна руживают более высокую степень ацетилирования. Продольная организация хромосом Продольная организация хромосом высших организмов, в основе которой лежит взаимосвязь морфологических, химических и функциональных закономерностей, характеризуется линейной неоднородностью. Уже интерфазные хромосомы оказываются глубоко дифференцированными по степени конденсации хроматина, что первоначально было обнаружено с помощью световой микроскопии. Одни их участки становятся деконденсированными (эухроматин), другие остаются конденсированными (гетерохроматин). В метафазных хромосомах подразделение на эти два типа хроматина не исчезает. Оно проявляется в естественном ходе митотической конденсации: в ранней профазе районы гетерохроматина опережают в своей конденсации эухроматиновые участки. Остаточные явления неодинаковой конденсации интерфазной хромосомы обнаруживаются морфологически и в метафазе (в области вторичной перетяжки). Понятие "гетерохроматин" и "эухроматин" в результате цито - генетических исследований получили генетическое содержание. Гетерохроматин в отличие от эухроматина не содержит структурных генов или обеднён ими. В то же время эухроматин - это функционально активный, транскрибируемый хроматин, т.е. структура хроматина оказывает влияние на регуляцию экспрессии эукариотических генов. Подобно митотическому хроматину гетерохроматин не участвует в транскрипции, ДНК в составе гетерохроматина реплицируется в позднем периоде S-периода клеточного цикла. Биохимические основы наблюдаемых различий между гетеро- и эухроматином неизвестны. Некоторые участки хромосом конденсируются в гетерохроматин во всех клетках организма - это конститутивный гетерохроматин. Другие участки хромосом формируют гетерохроматин лишь в определенных клетках - факультативный гетерохроматин. Конститутивный гетерохроматин содержит ДНК, которая, по всей видимости, никогда ни в одной клетке не транскрибируется. В хромосомах человека он локализуется вокруг центромер и легко обнаруживается в митотических хромосомах с помощью специальной окраски, хотя может быть обнаружен и в других районах некоторых хромосом (1, 9, 16, У). Подобное же состояние характерно для сателлитной ДНК и ДНК с высокоповторяюшимися последовательностями. Следовательно, большая часть конститутивного гетерохроматина содержит серии сравнительно простых, многократно повторяющихся последовательностей ДНК. В целом функция конститутивного гетерохроматина остается неясной. Предполагают, что некоторые сегменты этого хроматина играют определенную роль в спаривании хромосом в мейозе. Возможно, он влияет на стабилизацию структуры хроматина и защищает генетически значимые последовательности эухроматических районов от внешних воздействий, но классических менделевских генов здесь, скорее всего, нет. В интерфазной клетке участки конститутивного хроматина агрегируют с образованием хромоцентров, что мы видим в световой микроскоп в виде мельчайших "глыбок хроматина". У млекопитающих количество их и характер распределения варьируют в зависимости от типа клетки и стадии развития организма.
В интерфазе гетерохроматизированные Х-хромосомы представляют собой четко оформленные структурные образования, называемые тельцами Барра, которые близко прилегают к внутренней мембране ядра и хорошо различимы в световой микроскоп. Тельца Барра называются ещё глыбками полового Х-хроматина (рис.7). Политенные хромосомы Чтобы уловить изменения в структуре хроматина на уровне индивидуальных генов, необходимо изучать растянутые интерфазные хромосомы. В обычных клетках это невозможно, потому что нити интерфазного хроматина слиш ком тонки и запутаны. Благодаря же явлению политении на интерфазных хромосомах отчетливо видны многочисленные поперечные полосы, частота че редования которых позволяет предположить, что они соответствуют индивидуальным генам. Политенные хромосомы (гигантские хромосомы) содержат во много раз больше ДНК, чем обычные (рис.8, 9). Они не изменяют своей формы на протяжении всего митотического цикла и достигают длины до 0,5 мм, а толщины - до 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах двукрылых (мух, комаров), в макронуклеусе инфузории и в тканях завязи бобов. Чаще всего они видны в гап лоидном числе, т.к. гомологичные хромосомы бывают тесно спарены. Клетки с такими хромосомами вырастают до необычно большого размера. Рисунок 8. Политенные хромосомы слюнных желез дрозофилы Рисунок 9. Политенные хромосомы: 1 – нити ДНП; 2 – диски; 3 – пуфы; 4 – интерхромомерные участки ДНП.
 
Итак, интерфазные политенные хромосомы хорошо видны в световой микроскоп, хроматиновые петли в них располагаются в линейном порядке, при окрашивании этих хромосом заметны перемежающиеся поперечные полосы: темные - диски и светлые - междисковые участки. Предполагают, что именно диски содержат 1024 плотно уложенных гомологичных петли индивидуального петельного участка и расположенные там гены. Структурная организация и функция ДНК междисковых участков пока что неизвестны. С началом транскрипции генов диски, в которых они содержатся, декомпактизуются, становятся как бы вздувшимися и называются пуфами. Обра зующая их ДНК упакована гораздо менее плотно. По всей видимости, подобные структурные модификации хроматина, когда происходит его частичная деконденсация, и являются первым этапом активации эукариотических генов. Биохимически пуфы содержат меньше гистона HI, много РНК-полимеразы и, как минимум, один общий негистоновый белок. Возможно, функциональная единица генома и у высших кариот, в том числе у человека, устроена и функционирует так же.
Каталог: userfiles -> depts -> biology ecology -> metodichki i uchebnye posobiya metodichki i uchebnye posobiya -> Тесты по дисциплине «фитогеография» для направления подготовки biology ecology -> Учебное пособие для студентов I курса Стгму ставрополь, 2014 (07) ббк: 28. 03 я73 Х 69 biology ecology -> Биология индивидуального развития (онтогенез) biology ecology -> Кафедра биологии biology ecology -> Кафедра биологии с экологией metodichki i uchebnye posobiya -> Методическое пособие «Основные аспекты современной теории эволюции жизни на Земле» metodichki i uchebnye posobiya -> Тесты по дисциплине: «растительные ресурсы ставропольского края» для бакалавров направления подготовки 020400 «Биология» Скачать 9.06 Mb. Поделитесь с Вашими друзьями:
|
Рисунок 5. Строение соленоида.
