Текст книги "Медицинская биология: конспект лекций для вузов"

Вопрос 38. Эухроматин и гетерохроматин. Хромосомная ДНК

1. Факультативный гетерохроматин

Во время покоя между актами деления определенные участки хромосом и целые хромосомы остаются компактными. Эти сильно окрашивающиеся участки хроматина называют гетерохроматином, в отличие от эухроматина, который после деления ядра разрыхляется. Гетерохроматин в отношении транскрипции неактивен, а в отношении репликации ДНК ведет себя иначе, чем эухроматин.

Факультативный гетерохроматин бывает гетерохроматичным только временами. Он информативен, т. е. содержит гены; когда он переходит в эухроматическое состояние, эти гены могут становиться доступными для транскрипции. Из двух гомологичных хромосом одна может быть гетерохроматической. Эта факультативная гетерохроматизация тканеспецифична, и в определенных тканях ее не происходит.

2. Констутивный гетерохроматин

Конститутивный гетерохроматин всегда гетерохроматичен. Он состоит из многократно повторяющихся последовательностей оснований, не информативен (не содержит генов) и поэтому всегда неактивен в отношении транскрипции. Его можно видеть и во время деления ядер; он встречается чаще всего у центромеры, на концах хромосом (включая сателлиты), а также вблизи организатора ядрышка или гена 5S-РНК. Гетерохроматин, прежде всего факультативный, во время интерфазы может объединяться в интенсивно окрашивающийся хромоцентр, который находится в большинстве случаев у края клеточного ядра или ядрышка.

3. Функциональная единица ДНК

По всей длине каждой хромосомы (или после репликации каждой хроматиды) проходит непрерывная двойная спираль ДНК, которая у высших организмов состоит более чем из 10⁸ пар оснований. Гены линейно распределены вдоль этой двойной спирали и составляют вместе до 25 % ДНК.

Ген – это функциональная единица ДНК, содержащая информацию для синтеза полипептида или РНК. Средняя длина гена – около 1000 пар оснований. Последовательность оснований в каждом гене уникальна.

4. Спейсеры

Между генами находятся спейсеры – неинформативные отрезки ДНК различной длины (иногда более 20000 пар оснований), которые имеют значение для регулирования транскрипции соседнего гена.

Транскрибируемые спейсеры купируются при транскрипции вместе с геном, и их комплементарные копии появляются в пре-и-РНК по обе стороны от копии гена. Даже внутри самого гена имеются (только у эукариот и их вирусов) неинформативные последовательности, так называемые интроны, которые тоже транскрибируются. При процессинге все копии интронов и большинство копий спейсеров вырезаются с помощью ферментов.

Нетранскрибируемые спейсеры встречаются между генами для гистонов, а также между генами для r РНК.

Избыточные гены представлены большим числом (до 10⁴ и более) идентичных копий; таковы, например, гены для tРНК, rРНК, 5S-РНК и гистонов, а также для продуктов, синтезируемых в больших количествах. Копии расположены непосредственно друг за другом и разрешены идентичными спейсерами. У морского ежа гены для гистонов Н₄, Н₂в, Н₂а и Н₁ лежат друг за другом, и эта генная последовательность повторяется в ДНК больше 100 раз.

5. Последовательность нуклеотодов в ДНК

Повторяющиеся последовательности – это последовательности нуклеотидов, многократно представленные в ДНК. Умеренно повторяющиеся последовательности – более длинные последовательности длиной в среднем 300 пар нуклеотидов с 10²—10⁴ повторениями. К ним относятся избыточные гены, а также большинство спейсеров.

Высокоповторяющиеся последовательности с 10⁵—10⁶ повторениями образуют конститутивный гетерохроматин. Они всегда неинформативны. Это в основном короткие последовательности, в них часто обнаруживается только 2 (например, АТ), чаще всего – 7—10 и лишь редко – свыше 300 пар нуклеотидов. Они группируются вместе, одна повторяющаяся последовательность идет непосредственно за другой. ДНК высокоповторяющегося хроматина называют «сателлитными ДНК» по их поведению при аналитических процедурах фракционирования. Около 75 % всего хроматина не участвует в транскрипции: это высокоповторяющиеся последовательности и нетраснкрибируемые спейсеры.

Вопрос 39. Молекулярная структура хромосом. Набор хромосом

1. Хроматин

В хромосомах высших растений и животных каждая двойная спираль ДНК (диаметром 2 нм) имеет длину от одного до нескольких сантиметров. В результате многократного закручивания она упакована в хроматиду длиной несколько микрометров.

В изолированном хроматине участки двойной спирали обвиваются вокруг молекул гистонов, так что здесь возникает суперспираль первого порядка. Комплексы ДНК с гистоном называют нуклеосомами; они имеют форму диска или линзы и размеры около 10х10х5 нм. В одну нуклеосому входят 8 молекул гистонов (центральный тетрамер из двух молекул Н₃ и двух Н₄ и отдельно по два Н₂а и Н₂в) и участок ДНК (около 140 пар оснований), который образует примерно 1 1/4 витка спирали и прочно связан с центральным тетрамером. Между нуклеосомами лежат участки спирали из 30—100 пар оснований без суперспиральной структуры; здесь связывается гистон Н₁.

В нативном хроматине ДНК еще больше укорочена в результате малоизученной дальнейшей спирализации (суперспирали высших порядков), которая, очевидно, фиксируется благодаря гистону Н₁ (и некоторым негистоновым белкам).

При разрыхлении эухроматина (переход к интерфазе) некоторые из суперспиралей более высокого порядка раскручиваются, вероятно, в результате конформационных изменений гистонов и ослабления взаимодействий между молекулами Н₁. Хроматиновые структуры толщиной 10–25 нм (основные хроматиновые нити или спирали) видны и во время интерфазы.

2. Транскрибционно-активный хроматин

Транскрипционно-активный хроматин (гены, передающие свою информацию путем синтеза РНК) в результате дальнейшей деспирализации еще больше разрыхляется. По некоторым данным, в соответствующих участках спирали ДНК гистон Н₁ или отсутствует, или химически изменен (например, фосфорилирован), Структура нуклеосом также изменяется или полностью разрушается (в генах для rРНК в ядрышке). Двойная спираль в отдельных местах раскручивается. В этих процессах, по-видимому, участвуют определенные негистоновые белки, скапливающиеся в транскрибируемых участках ДНК.

3. Гаплоидные клетки

Весь фонд генетической информации каждого клеточного ядра – геном – распределен между некоторым постоянным числом хромосом. Это число (n) специфично для данного вида (или подвида). У лошадиной аскариды оно равно 1, у кукурузы – 10, у человека – 23, у водоросли Netrium digitus – около 600. Хромосомы одного набора различаются по величине, картине хромомер, положению перетяжек и содержанию информации.

Гаплоидные клетки содержат одинарный набор хромосом (n), а диплоидные – двойной (2n), так что генетическая информация в последних представлена дважды. В полиплоидных клетках имеется несколько наборов хромосом (4n, 8n, 16n и т. д.). Половые клетки гаплоидны. У высших растений и животных соматические клетки диплоидны и содержат один отцовский и один материнский набор хромосом. Однако в определенных тканях клетки могут быть полипоидными. Последние часто особенно активны в метаболическом отношении; таковы, например, многие клетки печени у млекопитающих. Гаплоидные клетки образуются из диплоидных в результате мейоза, а диплоидные из гаплоидных – в результате оплодотворения.

4. Полиплоидные клетки

Полиплоидные клетки возникают из диплоидных путем эндомитоза – преждевременно прерванного деления ядра: после полной репликации и разделения хроматид дочерние хромосомы остаются в одном клеточном ядре, вместо того чтобы распределиться между двумя ядрами. Этот процесс может повторяться многократно. Аномалии при образовании половых клеток могут приводить к полиплоидии всего организма. При неполной репликации некоторые части генома, например гетерохроматин, не реплицируются и остаются после эндомитоза диплоидными в отличие от других частей, которые становятся полиплоидными.

Амплификация генов – это многократная сверхрепликация, когда реплицируются только определенные гены, которые становятся полиплоидными (гены для rРНК в ядрышке).

Хромосомы диплоидного ядра могут быть сгруппированы попарно, по две гомологичные хромосомы. Большинство из них (так называемые аутосомы) попарно идентичны. Только две половые хромосомы (гетерохромосомы), определяющие пол особи, у самцов неодинаковы – это хромосомы Х и Y; большую часть последней занимает конститутивный гетерохроматин; у самок имеются две Х-хромосомы (у бабочек, птиц и ряда других животных дело обстоит наоборот: самцы имеют набор ХХ, самки – ХY).

5. Гиганские хромосомы

Политенные хромосомы (гигантские хромосомы) содержат во много раз больше ДНК, чем обычные. Они не изменяют своей формы на протяжении цикла деления и достигают длины до 0,5 мм и толщины 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах двукрылых (мух и комаров), в макронуклеусе инфузорий и в тканях завязи бобов. Чаще всего они видны в гаплоидном числе, так как гомологичные хромосомы тесно спарены.

Политения возникает в результате эндорепликации. По сравнению с эндомитозом это еще более редуцированный процесс деления: после репликации хроматиды не разделяются. Этот процесс повторяется многократно. При этом разные отрезки ДНК умножаются в различной степени: участки центромер – незначительно, большинство информативных областей – приблизительно в 1000 раз, а некоторые – более чем в 30000 раз. Поэтому политенные хромосомы представляют собой пучки из бесчисленных не полностью разделенных хроматид. Эти хроматиды растянуты, гомологичные хромомеры образуют темные диски, тесно расположенные вдоль хромосомы. Эти диски разделены более светлыми полосами. Вероятно, на хроматиде один диск и одна промежуточная полоса образуют, помимо спейсера, один ген (реже несколько генов), который, по-видимому, находится в диске. Политенные хромосомы чрезвычайно бедны гетерохроматином.

На политенных хромосомах отдельные диски временами раздуваются в пуфы (кольца Бальбиани). Там гомологичные хроматиды отделяются друг от друга, гомологичные хромомеры раздвигаются и возникает разрыхленная структура транскрипционно-активного хроматина. В пуфах содержится меньше гистона Н₁, чем в дисках, вместо него здесь находится фермент РНК-полимераза (что указывает на синтез РНК). Присутствие РНК-полимеразы можно выявить и химическим методом. В промежуточных полосах тоже мало гистона Н₁, но есть РНК-полимераза и, возможно, происходит хотя бы незначительный синтез РНК.

Вопрос 40. Ядрышко и ядерная оболочка

1. Характеристика ядрышка

Ядрышки – это округлые сильно уплотненные участки клеточного ядра диаметром обычно меньше 1 мкм. Ядра диплоидных клеток содержат 1–7 ядрышек, а в среднем – 2, но иногда (например, ядра у дрожжей, в сперматоцитах) микронуклеусы инфузорий не имеют их совсем.

Ядрышки осуществляют синтез rРНК (рибосомальной РНК). В соответствии с этим главной составной частью ядрышка является ядрышковая ДНК, которая принадлежит организатору ядрышка одной из SAT-хромосом. Ядрышки содержат более 80 % белка и около 15 % РНК. В электронном микроскопе можно различить:

• ядрышковый хроматин;

• рибонуклеопротеидные фибриллы (РНП-фибриллы) диаметром 5—10 нм и длиной 20–40 нм. Это ранние промежуточные продукты в процессе образования r РНК из пре-rРНК;

• РНП-гранулы диаметром 15–20 нм – более поздние промежуточные продукты;

• основную массу из белков и РНК, которую пронизывает сеть ядерного матрикса;

• мелкие вакуоли;

• гетерохроматин, связанный с ядрышком, который прилегает к ядрышку снаружи и проникает в него.

Образующийся в ядрышке предшественник rРНК – 45S-пре rРНК, по-видимому, связан с тяжами ядерного матрикса. Он соединяется с ядрышковым белком и 5S-РНК. Белки поступают из цитоплазмы, 5S-РНК – из клеточного ядра. В ядрышках 45S-пре-rРНК расщепляется на промежуточные продукты 5,8S-, 18S-РНК (процессинг). В нуклеоплазме в результате отщепления от пре-rРНК ядрышковых белков и присоединения рибосомальных белков образуются 40S– и 60S-субчастицы рибосом, по-видимому, еще связанные с ядерным матриксом; они выходят из клеточного ядра через поры в ядерной оболочке.

Во время деления ядра синтез rРНК прекращается, в конце профазы ядрышки исчезают, при конденсации хромосом ядрышковый хроматин в качестве организатора ядрышка входит в SAT-хромосому. После разделения ядра на разрыхляющихся организаторах ядрышка образуются сначала новые РНП-фибриллы, а затем и остальные компоненты нового ядрышка.

2. Характеристика ядерной оболочки

Ядерная оболочка состоит из двух мембран (каждая толщиной 6–8 нм), между которыми находится перинуклеарное пространство (шириной 10–40 нм). Ядерная оболочка связана с эндоплазматическим ретикулумом, будучи его частью, и образуется после деления ядра из цистерн ретикулума (используются также обрывки старой ядерной оболочки, разрушенной во время деления). В отличие от других мембран, ядерная оболочка обладает видимыми в электронный микроскоп порами (30—100 нм в диаметре), которые занимают около 5 % поверхности ядра. Каждая пора с наружной и внутренней стороны окружена кольцевым валиком из 8 сферических рибонуклеопротеидных частиц. В центре поры часто можно видеть «центральную гранулу» – рибонуклеопротеидную частицу, которая связана тонкими тяжами с кольцевым валиком и, по-видимому, активно транспортируется в цитоплазму. Удалось выявить центральные гранулы ядрышкового и хромосомного происхождения; вероятно, это субчастицы рибосом и mРНК или пре-mРНК, связанные с белком (информоферы).

3. Эквивалент ядра в прокариотической клетке

Прокариоты (бактерии, синезеленые водоросли) имеют центрально расположенный и часто округлый нуклеоид – эквивалент клеточного ядра. Он не имеет собственной мембраны, нерезко отграничен от остальной цитоплазмы и связан с плазматической мембраной. Он содержит всего лишь одну замкнутую в кольцо и собранную в клубок двойную спираль ДНК (общая длина ДНК у E. Coli составляет 1,2 мм), в нем нет гистонов и других хромосомных белков, а вместо них имеются небольшие основные молекулы, такие как полиамины. Как и у эукариот, ДНК содержит гены, расположенные в линейном порядке, подвергающиеся идентичному воспроизведению (репликации). Функционально она соответствует геному эукариотической клетки, поэтому ее называют также геномом или хромосомой. Репликация ДНК у прокариот происходит непрерывно, смены форм, как у эукариот (конденсация – разрыхление) не наблюдается.

Вопрос 41. Размножение. Бесполое размножение одноклеточных

1. Определение размножения

Размножение – одно из основных свойств, характеризующих жизнь. Под размножением понимается способность организмов производить себе подобных. Явление размножения тесно связано с одной из черт, характеризующих жизнь, – дискретностью.

Как известно, целостный организм состоит из дискретных единиц – клеток. Жизнь почти всех клеток короче жизни особи, поэтому существование каждой особи поддерживается размножением клеток. Каждый вид организмов также дискретен, т. е. состоит из отдельных особей. Каждая из них смертна. Существование вида поддерживается размножением особей.

Следовательно, размножение – необходимое условие существования вида и преемственности последовательных генераций внутри вида.

2. Формы размножения эукариот

В основе классификации форм размножения эукариот лежит тип исходных клеток, при бесполом размножении организм возникает из соматических клеток, при половом – из особых специализированных (половых). Всем видам эукариот свойственны оба вида размножения.

А. Бесполое размножение.

I. Одноклеточные:

• митотическое деление;

• шизогония;

• почкование;

• спорообразование.

II. Многоклеточные:

• вегетативное размножение;

• спорообразование.

Б. Половое размножение.

I. Одноклеточные:

• конъюгация;

• копуляция.

II. Многоклеточные:

• без оплодотворения;

• с оплодотворением.

3. Характеристика форм размножения одноклеточных

У одноклеточных это митоз, а у многоклеточных – вегетативное размножение, т. е. размножение частями тела или группой соматических клеток. У одноклеточных растений и животных различают следующие формы бесполого размножения: деление, множественное деление (шизогония) и почкование.

Митотическое деление характерно для одноклеточных организмов (амебы и инфузории). Сначала происходит митотическое деление ядра, а затем в цитоплазме возникает все углубляющаяся перетяжка. При этом дочерние клетки получают равное количество информации.

Органоиды обычно распределяются равномерно. В ряде случаев обнаружено, что делению предшествует их удвоение. После деления дочерние особи растут и, достигнув величины материнского организма, переходят к новому делению.

Шизогония, или множественное деление, – форма размножения, развившаяся из предыдущей. При шизогонии происходит многократное деление ядра без цитокинеза, а затем и вся цитоплазма распределяется на частички, обособляющиеся вокруг ядра. Из одной клетки образуется много дочерних.

Почкование заключается в том, что на материнской клетке первоначально образуется небольшой бугорок, содержащий ядро. Почка растет, достигает размеров материнской особи и затем отделяется от нее.

Спорообразование встречается у животных, относящихся к типу простейших, классу споровиков. Спора – одна из стадий жизненного цикла, служащая для размножения, она состоит из клетки, покрытой оболочкой, защищающей от неблагоприятных условий внешней среды. Некоторые бактерии после полового процесса способны образовывать споры.

Вопрос 42. Вегетативное (бесполое) размножение многоклеточных

1. Характеристика вегетативного размножения

Для вегетативного размножения растений могут служить отдельные части вегетативных органов. Так, осот, пырей и многие другие многолетние травы размножаются подземными участками стебля – корневищами. В ряде случаев образуются специальные органы, служащие для вегетативного размножения. Таковы видоизмененные части стебля – клубни картофеля, луковицы лука, чеснока.

При вегетативном размножении у многоклеточных животных новый организм образуется из группы клеток, отделяющейся от материнского организма. Вегетативное размножение встречается лишь у наиболее примитивных из многоклеточных животных – губок, кольчатых червей и др.

2. Размножение у губок и гидры

У губок и гидры за счет размножения группы клеток на теле образуется выпячивание (почки). В почку входят клетки экто– и энтодермы. У гидры почка постепенно увеличивается, на ней формируются щупальца и затем она отделяется от материнской особи. Ресничные и кольчатые черви делятся перетяжками на несколько частей, в каждой из которых восстанавливаются недостающие органы. У некоторых кишечнополостных встречается размножение стробиляцией, заключающееся в том, что полипоидный организм довольно интенсивно растет и по достижении известных размеров начинает поперечными перетяжками делиться на дочерние особи. В это время полип напоминает стопку тарелок или блюдец. Образовавшиеся особи – медузы – отрываются и начинают самостоятельную жизнь.

3. Основная форма вегетативного размножения

Особой формой вегетативного размножения следует признать полиэмбрионию, при которой эмбрион делится на несколько частей, каждая из которых развивается в самостоятельный организм. Полиэмбриония распространена у ос, ведущих паразитический образ жизни в личиночном состоянии, среди млекопитающих она встречается у броненосца.

4. Размножение с помощью спор

Размножение путем спорообразования связано с возникновением специальных клеток – спор. Эта форма размножения обычна у водорослей, грибов, мхов и папоротникообразных. У нитчатых зеленых водорослей из некоторых клеток могут формироваться споры. Они получили название зооспор, так как снабжены ресничками или жгутиками и могут плавать в воде. У более высокоорганизованных растений споры образуются в специальных органах – спорангиях.

Споры наземных растений неподвижны, очень мелки, содержат ядро, цитоплазму и покрыты плотной оболочкой, хорошо защищающей от неблагоприятных условий.

Каждая такая клетка дает начало новому организму. Число образуемых растениями спор огромно. Благодаря мелким размерам споры легко разносятся ветром. Таким образом, размножение спорообразованием имеет ряд ценных приспособлений для расселения и поддержания существования видов растений, имеющих эту форму размножения.

У многих растений (мхи, папоротникообразные) размножение спорообразованием чередуется с половым размножением.