WWW.LIT.I-DOCX.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - различные публикации
 


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«УО “ВИТЕБСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ” КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ И ОБЩЕЙ ГЕНЕТИКИ БЕКИШ 0.-Я.Л., БЕКИШ В.Я. МЕДИЦИНСКАЯ БИОЛОГИЯ И ОБЩАЯ ГЕНЕТИКА Утверж дено М ...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО “ВИТЕБСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ И ОБЩЕЙ ГЕНЕТИКИ

БЕКИШ 0.-Я .

Л., БЕКИШ В.Я .

МЕДИЦИНСКАЯ БИОЛОГИЯ И

ОБЩАЯ ГЕНЕТИКА

Утверж дено М инистерством образования Республики

Беларусь в качестве учебника для студент ов учреж дений высш его образования по специальности «Лечебное дело»

Издание второе, исправленное и дополненное Витебск, Издательство УО ВГМУ, УДК 574/578 (075.8) ББК-28.70я73Б 42

Р е ц е н зен ты :

кафедра медицинской биологи и и общ ей генетики УО '‘Белорусский государственный медицинский университет”, (проф. Р.Г. Заяц);

кафедра медицинской биологии и общ ей генетики УО “Гродненский государственный медицинский университет”, (проф. В.П. А ндреев) .

Бскиш, О.-ЯЛ .

Б 42 Медицинская биология и общая генетика: учебник для студентов учреждений высшего образования по специальности “лечебное дело”:

Учебник / О.-ЯЛ. Бекиш, ВЛ. Бекиш.-2-е изд., испр. и доп. -Витебск:

Издательство ВГМУ, 2011.-544 с .

ISBN 978-985-466-510-8 В учебнике отражены разделы биологии, имеющие значение в медицинском образовании врача .

Материал изложен в соответствии с уровнями организации живого - молекулярно-генетическим, клеточным, онтогенетическим, популяцион­ но-видовым и биосферно-биогеоценотическим. Освещены вопросы репродукции человека, принципы медико-генетического консультирования, биозтичсские аспекты генетики, трансплантации тканей и органов человека. Отражены вопросы сравнительной анатомии человека, ядовитости живых организмов. Материал учебника изложен с учетом достижений медико-биологических наук, показана взаимосвязь отдельных ее областей .

Учебник соответствует типовому учебному плану и программе, утверж­ денных Министерством образования Республики Беларусь (2008) Рисунков 160, таблиц 9 .

УДК 574/578 (075.8) ББК 28.70я73 О О.-Я.Л. Бекиш, 2011 © В.Я. Бекиш, 2011 © УО “Витебский государственный ISBN 978-985466-510-8 медицинский университет”, 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник написан в соответствии с программой по медицинской биологии и общей генетике для студентов лечебных факультетов высших учебных учреж дений, утвержденной М инистерством образования Республики Беларусь (2008) .

Современная биология характеризуется быстрым ростом знаний фундаментальных и системных механизмов жизнедеятельности, воз­ растанием ее социальной значимости и усилением связи с жизнью общества и отдельного человека, который сам становится объектом изучения современной биологии. Связь людей с живой природой не ограничивается рамками исторического родства, т.к. человек — неотъемлемая часть этой природы. Он влияет на нее, и в то же время испытывает на себе воздействие окружающей среды. Характер та­ ких двусторонних отношений сказывается на состоянии здоровья че­ ловека .

Изучение человека как биосоциального существа проводится в соответствии с официально признанными уровнями организации живого, что позволяет осуществить преемственность между биоло­ гией и медицинскими дисциплинами .

Раздел «Молекулярно-генетический уровень организации живо­ го» направлен на изучение генетического материала неклеточных форм, прокариот и эукариот, характеристики нуклеиновых кислот, процессов их синтеза и кодирования наследственной информации .





Раздел «Клеточный уровень организации живого» посвящен изу­ чению клетки как открытой системы с потоками энергии, информа­ ции и вещества. Особое внимание уделяется значению клеточной те­ ории для медицины и проблемам клеточной пролиферации .

Раздел «Онтогенетический уровень организации живого» направ­ лен на изучение размножения живых организмов, репродукции че­ ловека, этических и юридических аспектов вмешательства в воспро­ изведение человека. Закономерности наследственности и изменчи­ вости освещаются с учетом специфики жизнедеятельности челове­ ка. Рассматриваются принципы медико-генетического консультиро­ вания, вопросы биоэтики вмешательств в наследственность челове­ ка. Изучение биологии развития направлено на познание общих зако­ номерностей онтогенеза человека, генных, клеточных и системных механизмов гомеостаза, биоэтических аспектов при решении вопро­ сов трансплантации тканей и органов .

«Популяционно-видовой уровень организации живого» освещает особенности популяционной структуры человечества, его генетичес­ кий полиморфизм и генетические аспекты предрасположенности людей к соматическим заболеваниям. Рассматривается проблема ге­ нетического груза и его значение для медицины .

«Биосферно-биогеоценотический уровень организации живого»

посвящен рассмотрению проблем антропоэкологии, в частности, дифференцировке человечества на адаптивные типы. Рассматриваются биологические и социальные аспекты адаптации человека к услови­ ям жизнедеятельности, «предболезнь-болезнь-компенсация» как воз­ можные состояния организма. Освещаются медицинские эффекты радиоактивного загрязнения окружающей среды и влияние их на ге­ нофонд популяций и демографические показатели человечества. Рас­ сматриваются экологические аспекты паразитизма. Возбудители па­ разитарных заболеваний описываются как этиологические факторы в медицинской патологии. Отражены вопросы этиологии, патогенеза и клиники отравлений человека ядовитыми грибами, растениями и животными .

Основной задачей курса является изучение человека как биосо­ циального существа с акцентом на его биологические особенности, представляющие первостепенное значение для формирования фун­ даментальных знаний у студента при изучении медико-биологических дисциплин .

При подготовке настоящего учебника использован опыт препода­ вания медицинской биологии и общей генетики на кафедрах Витебс­ кого и Белорусского государственных медицинских университетов .

Искреннюю благодарность авторы выражают рецензентам .

Все критические замечания и пожелания студентов и преподава­ телей в отношении данного учебника авторы примут с благодарнос­ тью .

–  –  –

1.1. БИОЛОГИЯ КАК ЕСТЕСТВЕННАЯ НАУКА О ЖИЗНИ

Биология (греч. bios - жизнь, logos - наука) - наука о жизни, кото­ рая изучает жизнь как особую форму движения материи, законы ее существования и развития. Предметом биологии являются живые организмы, их строение, функции, а также природные сообщества организмов .

Вместе с астрономией, физикой, химией, геологией и другими науками, изучающими природу, биология относится к числу естествен­ ных наук.

Она не является единой дисциплиной, а составляет совокупность по меньшей мере 50 дисциплин, к которым относят:

а) морфологические дисциплины (анатомия, гистология), описы­ вающие строение организмов;

б) физиологические дисциплины (физиология клетки, физиоло­ гия растений, физиология животных);

в) общебиологические дисциплины (цитология, генетика, эволю­ ционное учение и др.);

г) экологические дисциплины (биогеография, паразитология);

д) пограничные дисциплины (биохимия, биофизика, молекулярная биология, космическая биология и др.) .

Биология относится к ведущим естественным наукам. Высокий уровень ее развития - необходимое условие прогресса современной медицины .

Биология в настоящее время превратилась из науки описательной в науку с высокой степенью математизации. Такие биологические дисциплины, как генетика, биофизика, молекулярная биология и дру­ гие просто немыслимы без математики. Именно благодаря приме­ нению учеными математики для познания закономерностей живой природы, биология во второй половине XX столетия стала ведущей наукой. Это позволило целому ряду крупнейших ученых мира заявить о «веке биологии». «Век биологии» представляет собой новый этап научно-технического прогресса. Биология становится лидером есте­ ствознания и определяет основные направления его развития, оказы­ вает решающее воздействие на преобразование форм и методов при­ менения научного знания в производстве, особенно в сельском хозяй­ стве. На современном этапе важнейшую роль в биосфере приобре­ тают не сложившиеся естественные биогеоценозы, а создаваемые по воле человека, стихийно или сознательно, агроценозы. Последние должны обеспечивать человечество источником питания и поддер­ живать круговорот веществ, сохраняющий атмосферу, гидросферу и почву в состоянии, позволяющем людям существовать на Земле. Рост населения и развитие промышленности заставляют задуматься о пре­ делах биологической производительности планеты Земля. В обозри­ мом будущем при сохранении нынешних темпов роста численности населения и сохранении традиционных способов ведения хозяйства могут возникнуть затруднения с пищей, человечеству не будет хва­ тать кислорода. Именно поэтому многие крупнейшие биологи счита­ ют, что на протяжении ближайших одного-двух поколений необходи­ мо резко изменить производственную деятельность человека на ос­ нове достижений биологии и других естественных наук. Природа дает человеку все для его существования. Изменения, возникающие в ок­ ружающей среде под влиянием деятельности человека, воздейству­ ют и на него самого, что открывает реальные возможности влияния на геном человека .

1.2. СУЩНОСТЬ ЖИЗНИ. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ

ЖИВОГО

Познание сущности жизни является одной из основных задач со­ временной биологии. По мере развития науки происходило накопле­ ние фактического материала, который постепенно обобщался и ос­ мысливался, что приводило к созданию различных гипотез и теорий .

Однако никогда не следует забывать, что философские обобщения и выводы всегда обусловлены мировоззрением ученого. Например, К .

Линней (1707-1778) внес много нового в биологию (например, пред­ ложил сохранившуюся поныне бинарную номенклатуру), но, будучи глубоко религиозным человеком, стоял на позициях креационизма и признавал сотворение видов богом .

Среди первых попыток человечества объяснить возникновение жизни на Земле следует назвать гипотезы самозарождения, осново­ положником которых был Аристотель (384-322 до н.э.). Он полагал, что живое возникло из неживого. Однако движущей силой этого про­ цесса считал божественную силу - энтелехию. Мыслители древнего мира и средневековья считали, что рыбы и лягушки возникают из ила, черви - из гниющего мяса, гусеницы из земли и т.д. Врач Я.Б .

Ван Гельмонт (1577-1644) был убежден, что мыши зарождаются из белья и зерна. Основоположник ятрохимии Ф. Парацельс( 1493-1541) предлагал рецепт изготовления человека (гомункулуса) в колбе .

Борьба против представлений о самозарождении организмов про­ исходила в течение многих веков. Первое экспериментальное опровержение теории самозарождения было сделано Франческо Реди (1626в опытах с гниющим мясом. Им было показано, что, если не дать возможности мухам садиться на мясо, «черви» (личинки) не развиваются. С открытием микроорганизмов сторонники теории са­ мозарождения стали утверждать о произвольном возникновении мик­ робов. Против этих утверждений выступили в 1765 г. Л. Спаланцани (1729-1799), М.М. Тереховский (1740-1796). Тем не менее, в 1859 г .

Ф. Пуше (1800-1872) привел данные, что в прокипяченных питатель­ ных бульонах происходит самозарождение бактерий. Против Ф. Пу­ ше выступил величайший бактериолог Луи Пастер (1822-1895), ко­ торый доказал, что питательные бульоны, если в них нет микроорга­ низмов, могут сохраняться годами, и в них не обнаруживаются ника­ кие признаки жизни. Стало очевидным, что существующие формы жизни, какими бы простыми они ни были, не могут возникнуть пу­ тем самозарождения. Эти факты явились основанием для выдвиже­ ния тезиса извечного существования жизни во Вселенной и ее заноса на Землю из космоса. В 1895 г. с широкой аргументацией этой точки зрения выступил С. Аррениус (1859-1927), назвав ее «теорией» панс­ пермии. При этом вопрос о первичном возникновении жизни на кос­ мических телах не затрагивался. Широкое хождение имели предпо­ ложения о заносе зародышей живых организмов на Землю с метео­ ритами. Однако все попытки обнаружить в метеоритах какие-либо признаки живого не увенчались успехом. Дж. Бернал (1901-1971) назвал гипотезу панспермии лукавой уловкой ума, желающего укло­ ниться от решения проблемы. Кроме того, гипотеза панспермии не смогла объяснить, как споры жизни выдерживали космический хо­ лод, вакуум межзвездного пространства и губительное воздействие космического излучения .

Новое решение вопроса о неотьемлемых свойствах жизни на Земле было высказано Ф. Энгельсом (1820-1895), который считал, что «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным мо­ ментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь». Ф. Энгельс в 1895 г. охарактеризовал жизнь как одну из форм движения материи, а именно, как биологическую форму, более высокую, чем механическая, физическая, химическая .

Начало систематической разработке проблемы возникновения жизни на Земле было положено в 1924 г. А.И. Опариным (1894-1980) в его книге «Происхождение жизни», где впервые была предпринята попытка сформулировать гипотезу возникновения жизни на Земле как результата длительного эволюционного развития материи. В последующие годы гипотеза А.И. Опарина получила в основных своих положениях подтверждение и дальнейшее развитие.

В процессе воз­ никновения жизни на Земле выделяют три этапа:

1) химический - первичное образование на Земле простейших органических веществ;

2) предбиологический - абиогенный синтез важнейших органичес­ ких соединений;

3) биологический - возникновение предбиологических систем и их эволюция .

Ведущий признак жизни - воспроизведение, обновление белковых тел, в основе которого лежит саморепликация ДНК с передачей новой клетке генетической информации. Исходя из этого акад. В.М. Гольданский (1923-1998) предложил следующее определение жизни: «Жизнь есть форма существования биополимерных тел, способных к саморепликации в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой». Однако, свойство саморепликации не является единственным, которым биополимеры отличаются от неживого. Им характерна также хиральная чистота. Еще в 1848 г. Л. Пастер открыл зеркальную изомерию органических молекул, т.е. способность молекул существовать в двух зеркально-антиподных формах, что в науке полу­ чило название хиральности (греч. cheir- рука). Она присуща амино­ кислотам и сахарам. В природе белки содержат только «левые» ами­ нокислоты, а нуклеиновые кислоты - только «правые сахара». Само­ репликация может возникнуть и поддерживаться только в хирально чи­ стой среде. А это означает, что в предбиологической органической среде должно было произойти разрушение зеркальной симметрии еще до воз­ никновения саморепликации, т.к. в рацемате этот процесс практически невозможен. Это был необходимый этап, предшествующий возникно­ вению жизни. Нарушение зеркальной симметрии происходило в пер­ вичном бульоне. Оно привело к формированию хирально чистой среды остались только левые аминокислоты и правые сахара. Точного объяс­ нения этому явлению пока не дано. Л. Пастер связывал появление хиральности с действием космического фактора. Однако это мнение не получило пока должного подтверждения. Разрушение хиральной чистоты в биосфере представляет опасность для человека, что было показано на препарате талидомид, который производился в рацеми­ ческой форме и обладал тератогенным действием .

Из наиболее удачных определений жизни, с учетом вышесказан­ ного, можно считать определение, данное Дж. Берналом: «Жизнь — это функция взаимодействия белков и нуклеиновых кислот на Зем­ ле». Этим определением, таким образом, допускается наличие во Вселенной других форм жизни .

К числу фундаментальных свойств, характеризующих жизнь, от­ носят: самообновление, обусловленное потоком вещества и энергии;

самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между сме­ няющими друг друга генерациями биологических систем; саморегу­ ляцию, базирующуюся на потоке вещества, энергии и информации .

Эти свойства обеспечивают основные признаки жизни, которым можно дать следующее описание .

Дискретность и целостность. Органический мир целостен, т.к .

составляет систему взаимосвязанных частей, и в то же время он дис­ кретен (лат. discretus- прерывистый). Органический мир состоит из отдельных единиц - организмов или особей. Каждый организм состо­ ит из клеток, последние - из субклеточных структур (органелл), но функционируют они как единое целое .

Структурная организация. Живое построено из тех же хими­ ческих элементов, что и неживое, но характеризуется сложностью химических соединений, обусловленной определенной упорядоченно­ стью на молекулярном уровне. Структурная организация - характер­ ное свойство живого на всех уровнях его организации. Наследствен­ ная информация осуществляется генами, но ни один ген вне генотипа не определяет развитие признака. Только единство нуклеиновых кислот и белков обусловливает существование живого на Земле .

Обмен веществ и энергии. Основное свойство живого —обмен веществ. Любой живой организм можно представить как открытую систему, поддерживающую непрерывный обмен веществ и энергии с окружающей средой. В живых организмах обмен веществ приводит к восстановлению разрушенных компонентов. Организм существует как открытая система, через которую идет непрерывный поток ве­ щества и энергии. Структура живого непрерывно воспроизводится благодаря информации, заложенной в нуклеиновых кислотах. Живые организмы находятся в единстве с окружающей средой, а физичес­ кие, химические и биологические свойства среды обеспечивают про­ текание всех процессов жизнедеятельности .

Репродукция или воспроизведение себе подобного. Благодаря это­ му свойству виды в природе реально существуют. Любой вид состоит из особей, каждая из которых смертна, но благодаря размножению, жизнь вида не прекращается. Размножение всех видов, населяющих Землю, обеспечивает существование биосферы .

Наследственность и изменчивость. Важнейшие свойства жи­ вого, связанные с передачей потомству от родителей наследствен­ ных признаков и с возможностью их изменяться под влиянием факторов среды. Наследственность обеспечивает материальную преемственность между поколениями организмов. Благодаря наслед­ ственности, из поколения в поколение передаются признаки, обеспе­ чивающие адаптацию (лат. adapto - приспособлять) организмов к окружающей среде. Хранение и передача наследственной информации осуществляются нуклеиновыми кислотами. Изменчивость - проти­ воположное наследственности свойство, связанное с появлением признаков, несвойственных родительским особям. Признаки, обус­ ловленные изменением структуры нуклеиновых кислот, могут или при­ водить к смерти новый организм, или позволяют ему выжить в изменившихся условиях среды. Наследственная изменчивость создает предпосылки для видообразования и эволюции .

Рост и развитие —свойство организма расти и развиваться за счет деления клеток и их дифференцировки. Благодаря росту меняются масса и линейные размеры организма, происходит дифференцировка тканей и органов. Организм достигает половой зрелости, после чего способен к репродукции. Организмы наследуют не готовые признаки, а определен­ ную генетическую информацию, возможность развития тех или иных свойств. Эта наследственная информация реализуется во время инди­ видуального развития .

Раздражимость - свойство живого, благодаря которому орга­ низм непрерывно контактирует с окружающей средой, другими орга­ низмами. У одноклеточных оно проявляется в виде таксисов, у рас­ тений - в виде тропизмов, настий, а у высших животных - в виде рефлексов. Благодаря этому свойству достигается уравновешивание организмов с внешней средой: организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды, способны извлекать из нее все необ­ ходимое для своего существования, а, следовательно, с ними связан столь характерный для живых организмов обмен веществ, энергии и информации. Свойство раздражимости связано с химическим строе­ нием самого субстрата жизни .

Внутренняя регуляция и гомеостаз. Любой организм, являясь открытой системой, сохраняет в то же время постоянство своей внут­ ренней среды (гомеостаз) благодаря нейрогуморальной регуляции .

Организмам свойственно постоянство химического состава. Само­ регуляция в биологических системах осуществляется по принципу об­ ратной связи. Так регулируются процессы считывания наследствен­ ной информации, обмена веществ, репродукции и т.д .

Современное естествознание исходит из представлений о разных уровнях организации живого, т.е. о различном проявлении форм дви­ жения материи в пределах органического мира. Выделяют следующие основные уровни организации живого .

Молекулярно-генетический. Элементарными структурами этого уровня являются центральные управляющие системы - коды наслед­ ственной информации, передаваемые от поколения к поколению, а элементарными явлениями —воспроизведение кодов и кодонов по принципу матрицы, производство ими первичных генных структур .

Путем репликации ДНК происходит копирование заключенной в генах биологической информации, что обеспечивает преемственность и сохранность свойств организмов в ряду поколений .

Клеточный. Элементарной структурой этого уровня является клет­ ка, а элементарным явлением - деление клеток, их развитие. На этом уровне так же отмечается однотипность всех живых организмов. На кле­ точном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной ин­ формации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. Этот уровень организации живого был доминирую­ щим в архейскую эру .

Онтогенетический. Элементарные структуры этого уровня — организмы, а элементарные явления —онтогенез, дифференцировка и неизвестные еще в деталях механизмы, которые управляют упоря­ доченным во времени и пространстве индивидуальным развитием многоклеточных организмов. На организменном уровне обнаружи­ вается многообразие форм жизни. В настоящее время на Земле оби­ тает около 3 миллионов видов. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов, каждый из которых представляет элементарную еди­ ницу жизни. Вне особей в природе жизнь не существует. Нервная и гуморальная системы осуществляют саморегуляцию в организме и обусловливают определенный гомеостаз .

Популяционно-видовой. Элементарными структурами уровня яв­ ляются популяции любого вида живых организмов, а элементарны­ ми явлениями - направленное изменение их генофонда. Последнее ведет к возникновению приспособлений и, в итоге, к видообразова­ нию на основе естественного отбора. Популяция в силу возможнос­ тей межпопуляционных скрещиваний представляет собой открытую генетическую систему. Действие на генофонд популяции элементар­ ных эволюционных факторов приводит к эволюционно значимым изме­ нениям генофонда, которые составляют элементарные явления на данном уровне .

Биосферно-биогеоценотический. Элементарными структурами этого уровня являются биогеоценозы, а элементарными явлениями переходы биогеоценозов из одного состояния (временного, неустой­ чивого динамического равновесия) в другое. Элементарное явление на рассматриваемом уровне представлено вещественно-энергетичес­ кими круговоротами. Биогеоценозы, различаясь по видовому составу и характеристикам абиотической своей части, объединены на планете в единый комплекс - область распространения жизни, или биосферу .

Изучение живой природы проводят на четырех уровнях: молекуля­ рно-клеточном, организменном, популяционно-видовом и биосфернобиоценотическом. Живая природа это сложная система, состоящая из таких иерархических биосистем как клетка, организм, популяция, вид, экосистема, биосфера .

Живое на планете Земля представлено в виде дискретных еди­ ниц - организмов, каждый из которых, с одной стороны, состоит из единиц, подчиненных ему уровней организации, а с другой - сам яв­ ляется единицей, входящей в состав надорганизменных биологичес­ ких макросистем (популяций, биогеоценозов, биосферы в целом) .

Следует отметить большое сходство дискретных единиц на низ­ ших уровнях организации живого и всевозрастающее различие на высших уровнях. На молекулярно-генетическом уровне обнаружива­ ется однообразие дискретных единиц неклеточных форм, прокариот и клеточных форм жизни. Жизненный субстрат для всех них пред­ ставлен четырьмя одинаковыми азотистыми основаниями, соединен­ ными с пятиатомным углеводом и остатками фосфорной кислоты, образующими молекулы нуклеиновых кислот и 20-ю аминокислота­ ми. Даже на клеточном уровне обнаруживается однотипность в стро­ ении для всех живых организмов. Однако, на организменном уровне отмечается многообразие форм жизни. Разнообразие видов - резуль­ тат все усложняющихся пространственных комбинаций дискретных единиц низшего порядка, обусловливающих новые качественные осо­ бенности .

1.3. РОЛЬ БИОЛОГИИ В ПОДГОТОВКЕ ВРАЧА

Важность изучения биологии будущими врачами определяется тем, что биологические дисциплины представляют собой теоретическую основу медицины. На базе морфологических дисциплин сформи­ ровалась патологическая анатомия, на базе физиологии, биохимии, генетики - патологическая физиология. Такие сугубо прикладные раз­ делы медицины, как терапия и хирургия базируются на данных ана­ томии, физиологии, биохимии. Эпидемиология опирается на дости­ жения экологии, зоологии, паразитологии, микробиологии, вирусоло­ гии .

Для будущего врача крайне важны сведения по цитологии, патологии клетки, ее пролиферативных возможностях, наследственным болезням человека, порокам развития, болезням адаптации, паразитарным болезням, клинике отравления ядовитыми грибами, растениями и животными, информации об использовании микогоксинов, фитотоксинов, зоотоксинов в качестве лекарственных препаратов, влиянию последст­ вий радиоактивного загрязнения окружающей среды на здоровье че­ ловека .

Важность изучения биологии для будущего врача определяется тем, что биология это прежде всего основа медицины, успехи кото­ рой связаны с успехами биологических наук. Например, открытие Л .

Пастером (1822-1895) микробного происхождения процессов гниения и брожения, обусловило в медицине появление асептики и антисепти­ ки. На основе этого открытия начался поиск возбудителей заразных болезней, разработка принципов профилактики и рационального лече­ ния инфекционных заболеваний. Открытие И.И. Мечниковым (1845явления фагоцитоза легло в основу современных представле­ ний об иммунитете. Открытие Г. Менделем (1822-1884) законов на­ следования обусловило создание хромосомной теории наследствен­ ности. Не случайно академик И.В.

Давыдовский (1897-1968) писал:

«Медицина, взятая в плане теории, - это прежде всего общая биоло­ гия» .

Здоровье человека в значительной степени зависит от состоя­ ния окружающей среды. Знание биологических закономерностей не­ обходимо для научно-обоснованного отношения человека к природе, использованию ее ресурсов, охране окружающей среды, разработ­ ки принципов профилактики заболеваний, обусловленных воздействи­ ем на организм человека абиотических и биотических факторов среды .

Роль биологии в системе подготовки врача определяется форми­ рованием ею его мировоззрения, с одной стороны, и выходом во вра­ чебную практику, с другой. Мировоззрение врача складывается на основании изучения фундаментальных дисциплин — цитологии, генетики, молекулярной биологии, антропологии, экологии и эволюци­ онного учения. Оно учит разумному бережному отношению к окружающей природе, к себе самому как к части этой природы, способствует выработке оценки последствий воздействий человека на среду обитания .

Современная биология находится в полосе открытий, практичес­ кое и методологическое значение которых для всего человечества трудно переоценить. В известном смысле можно считать, что во мно­ гом именно от успехов в области естественных наук будут зависеть перспективы будущего человечества .

М О ЛЕКУЛЯ РН О -ГЕН ЕТИ Ч ЕС КИ Й

УРО ВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

ГЛАВА II. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ РОЛЬ В

СУЩЕСТВОВАНИИ ЖИВОГО

Изучение молекулярно-генетического уровня организации живого связано с рассмотрением структуры и функции нуклеиновых кислот .

Нуклеиновые кислоты (лат. nucleus - ядро) - макромолекулы, впер­ вые обнаруженные в ядрах клеток гноя Ф. Мишером в 1869 г. Однако на их роль в хранении генетической информации обратили внимание лишь после работ Дж. Уотсона и Ф. Крика (1953 г.). Различают де­ зоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). ДНК - носитель генетической информации, находится в хро­ мосомах ядра клетки, в митохондриях, хлоропластах эукариот, в клет­ ках прокариот, во многих вирусах. РНК служит для передачи и реа­ лизации генетической информации в клетках прокариот и эукариот. У многих вирусов РНК выполняет функцию первичного носителя гене­ тической информации .

2.1. СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Мономером нуклеиновых кислотявляется нуклеотид, который состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты (рис .

2.1.а). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-Г присоединя­ ется азотистое основание, а к пятому атому углерода С-5' с помощью эфирной связи - фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа - ОН .

Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гид­ роксилом другого. Между ними устанавливается фосфодиэфирная связь (рис. 2.1.6), в результате чего образуется полинуклеотидная цепь (рис. 2.1.в). Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при уча­ стии фермента полимеразы. Он обеспечивает присоединение фосфат­ ной группы следующего нуклеотида к гидроксильной группе в поло­ жении 3' предыдущего нуклеотида. Поэтому наращивание полинук­ леотидной цепи происходит только на одном конце, где находится свободный гидроксил в положении 3'. Начало цепи всегда несет фос­ фатную группу в положении 5', что позволяет выделить в ней 5'- и 3' — концы. Часть нуклеотида, состоящая из азотистого основания и пена - стр оен и е нуклеотида; б - соед и н ен и е нуклеотидов в полинуклеотидную цепь;

в - схем а строения молекулы Д Н К (п о В.Н. Ярыгину, 1997) .

тозы, получила название нуклеозида. Азотистые основания бывают пуриновые -аденин и гуанин (А, Г) и пиримидиновые - тимин, цито­ зин и урацил (Т, Ц, У). ДНК состоит из 2 • 109 и более мононуклеоти­ дов .

Анализируя ДНК разного происхождения, Э. Чаргафф в 1949-1955 гг.

сформулировал закономерности состава ДНК, вошедшие в науку под названием правил Чаргаффа:

а) количество аденина равно количеству тимина (А=Т);

б) количество гуанина равно количеству цитозина (Г=Ц);

в) количество пуринов равно количеству пиримидинов (Г+А=Ц+Т);

г) количество оснований с 6-аминогруппами равно количеству оснований с 6-кетогруппами (А+Ц=Г+Т);

д) соотношение оснований А + Т является величиной строго ви­ доспецифичной. Г+Ц Эти данные послужили ключом к разгадке структуры ДНК, опи­ санной в 1953 г. Дж. Уотсоном, Ф. Криком и М. Уилкинсом. Они, после применения рентгеноструктурного анализа, предложили простран­ ственную молекулярную модель ДНК в виде двойной спирали (рис .

2.2), которая хорошо объясняет физико-химические и биологические свойства ДНК и механизмы ее функции в клетке. Было показано, что диаметр спирали ДНК составляет 2 нм, длина шага - 3,4 нм. В каж­ дый виток входит 10 пар нуклеотидов. Основные закономерности в строении ДНК были сформулированы в виде следующих постулатов .

1. Каждая молекула ДНК состоит из двух длинных антипараллельных поли нуклеотидных цепей, образующих двойную спираль, зак­ рученную вокруг центральной оси .

2. Каждый нуклеозид (пентоза + основание без остатка фосфорной кислоты) расположен в плоскости, перпендикулярной оси спирали .

3. Две цепи спирали скреплены водородными связями, образую­ щимися между основаниями разных цепей .

4. Спаривание оснований высокоспецифично, пуриновые осно­ вания соединяются с пиримидиновыми и возможны пары только А:Т и Г:Ц .

5. Последовательность оснований одной цепи может значительно варьировать, но последовательность их в другой цепи должна быть комплементарна ей. Таким образом, последовательность оснований в одной цепи определяет строго комплементарную ей последователь­ ность в другой .

Антипараллельность полинуклеотидных цепей обеспечивается соединением одной цепи 5'-концом с З'-концом другой цепи и наобо­ рот. За разработку пространственной молекулярной модели ДНК Дж .

Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинсон были удостоены в 1962 г. Нобелевс­ кой премии .

В структурной организации молекулы ДНК можно выделить пер­ вичную структуру —полинуклеотидную цепь, вторичную структуру — две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структу­ р у - 3-х мерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками (рис. 2.2) .

Рис 2.2. Модель ДНК, предложенная Дж. Уотсоном и Ф. Криком:

а - сх ем а д в у ц еп о ч еч н о й сп ир ал ьн ой структуры ; б - п р остранственная м одель атом н ого строения .

ДНК способна к удвоению (репликации). Это очень сложный про­ цесс. Сначала с помощью фермента геликазы происходит деспирализация молекулы, в результате чего удвоенная спираль ДНК в от­ дельных зонах расплетается, разделяясь на две цепочки, каждая из которых служит матрицей для синтеза двух комплементарных цепей .

В результате образуются две молекулы ДНК, имеющие идентичную молекулярную структуру (рис. 2.3). Области расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называются репликационными вилками. В этих областях при участии фермента ДНК-полимеразы синтезируются ДНК двух новых дочерних молекул. В процессе синРис. 2.3. Репликация молекулы ДНК (по Н. Грин и соавт., 1990) .

теза репликационная вилка движется вдоль материнской спирали, зах­ ватывая все новые зоны .

Фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки ее окончания образует единицу репликации - репликон. Эукариотические хромосо­ мы содержат большое число репликонов. В связи с этим удвоение моле­ кулы ДНК, расположенной вдоль эукариотической хромосомы, начина­ ется в нескольких точках. В разных репликонах удвоение может идти в разное время или одновременно. Способность ДНК-полимеразы осу­ ществлять сборку полинуклеотида в направлении от 5'- к 3'- концу при антипараллельном соединении двух цепей ДНК означает, что процесс репликации должен протекать на них по-разному. Если на одной из мат­ риц (З1 5') сборка новой цепи происходит от 5'-, к 3'- концу, она постоянно ' удлиняется на 3'- конце. Другая цепь, синтезируемая на матрице (5'-3') должна была бы расти от 3’- к 5 - концу. Это противоречит направлению действия фермента ДНК-полимеразы. Синтез второй цепи ДНК осуще­ ствляется короткими фрагментами (фрагменты Оказаки) также в на­ правлении 5'- к 3'- концу .

Различают три основных вида репликации ДНК: консервативная, полуконсервативная и дисперсная. При всех трех способах реплика­ ции дочерняя ДНК состоит из равных количеств родительской и вновь синтезированной ДНК. Различно только распределение родительс­ кой ДНК в дочерних молекулах. При консервативной репликации по­ ловина дочерних молекул построена полностью из нового материала и половина - полностью из старого; при полуконсервативной и дисперсивной репликации каждая из дочерних молекул строится напо­ ловину из старого материала, наполовину из нового. Однако полуконсервативную и дисперсивную схемы можно различить после реп­ ликации дочерних молекул: при полуконсервативной репликации 50% дочерних молекул второго поколения будет состоять наполовину из нового, наполовину из старого материала (как и молекулы первого поколения), а другие 50% - полностью из нового материала; при дисперсивной репликации все молекулы второго поколения будут содер­ жать одну четверть старого материала и три четверти нового .

Молекула РНК — одноцепочная, в состав нуклеотидов входят азоти­ стые основания аденин, гуанин, цитозин и вместо тимина - урацил .

При петлеобразном складывании отдельные комплементарные учас­ тки могут спариваться, образуя спираль. Существует несколько ви­ дов РНК: информационная (иРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК) .

Все виды РНК (кроме вирусных) синтезируются на молекуле ДНК путем транскрипции. При этом сначала образуется более длинный предшественник - первичный транскрипт, который затем, благодаря процессингу (англ, processing - обработка), превращается в более ко­ роткую РНК. Первичный транскрипт и промежуточные продукты процессинга известны под названием проРНК. При процессинге цепь РНК укорачивается, во-первых, за счет отщепления концевых отрез­ ков или фрагмента из середины цепи и сплайсинга оставшихся час­ тей (англ, gene splicing - сращивание гена), во-вторых, за счет присо­ единения новых концевых последовательностей нуклеотидов, в-тре­ тьих, происходит модификация нуклеотидов путем их метилирова­ ния, гидрирования .

Транспортная РНК. Число нуклеотидов тРНК не превышает 76мол. масса равна 25-28 тыс. дальтон. тРНК составляет 10% всей клеточной РНК. Эти РНК не связаны с какими-либо частицами. При реализации генетической информации каждая тРНК присоединяет и Рис 2.4. Строение молекулытРНК (по R.W. Holley et al., с изменениями) .

переносит определенную аминокислоту. В результате комплементар­ ного соединения оснований, находящихся в разных участках полинуклеотидной цепи тРНК, она приобретает структуру, напоминаю­ щую по форме лист клевера (рис. 2.4). В ней выделяют четыре части, выполняющие различные функции. Первая часть - акцепторный «сте­ бель» образуется двумя комплементарно соединенными концевыми частями. Он состоит из семи пар оснований. З'-конец этого стебля несколько длиннее. Он формирует одноцепочный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН-группой. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокис­ лота. Три остальные части представляют собой комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчивают­ ся несПаренными участками, образующими петли. Средняя часть состоит из пяти пар нуклеотидов и содержит в центре своей петли антикодон (три нуклеотида, комплементарные кодону иРНК, кото­ рый шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида) .

Различные видытРНК характеризуются постоянством нуклеотидной последовательности, которая чаще всего состоит из 76 нуклеотидов .

Варьирование их числа связано с изменением количества нуклеотидов в дополнительной петле. Первичная структура тРНК, определяемая пос­ ледовательностью нуклеотидов, формирует вторичную структуру тРНК в форме листа клевера. Вторичная структура обусловливает трехмер­ ную третичную структуру, для которой характерно образование двух пер­ пендикулярно расположенных двойных спиралей. Установлено суще­ ствование нескольких видов тРНК, способных соединяться с одним и тем же кодоном. В результате в цитоплазме клеток встречается около 40 различных молекул тРНК, а не 61 вид по количеству кодонов. Этого ко­ личества достаточно, чтобы транспортировать 20 разных аминокислот к месту сборки полипептида в рибосоме .

Рибосомная РНК. Известно три вида рибосомной РНК .

5S-PHK - число нуклеотидов 120-121, мол. масса 40 тыс. дальтон .

Ассоциирована с большой субчастицей рибосомы. Молекула содер­ жит 3-4 спаренных спиральных участка и, вероятно, обладает вто­ ричной структурой типа клеверного листа .

5,8S-PHK - число нуклеотидов 130-160, мол. масса 45-55 тыс. дальтон, соединена в рибосоме водородными связями с рРНК. Содержит много модифицированных оснований .

рРНК - составляет 85% всей РНК клетки. Бывает легкой (pPHKj), которая включает 1600-2000 мононуклеотидов с мол. массой 700 тыс .

дальтон и тяжелой (рРНК2 состоящей из 3200-5200 мононуклеотидов с ), мол. массой 1700 тыс. дальтон. Легкая находится в малой, а тяжелая рРНК - в большой субчастице рибосомы .

Рибосомные РНК являются не только структурным компонентом рибосом, но и обеспечивают связывание их с определенной нуклео­ тидной последовательностью иРНК. Этим устанавливаются начало и рамка считывания при образовании пептидной цепи. Кроме того, рибосомы РНК обеспечивают взаимодействие рибосомы и тРНК .

Информационная или матричная (иРНК). Число нуклеотидов от 300 до 3 000, мол. масса до 104 тыс. дальтон, составляет около 5% всей клеточной РНК. В зависимости от необходимого количества ин­ формации молекула может быть различной величины. Она одноце­ почная, но имеет комплементарно спаренные петли. По обе стороны участка молекулы, несущего информацию, находятся неинформатив­ ные последовательности: начальная последовательность (лидер) на 5' - конце и концевая последовательность на 3' - конце. Синтез иРНК начинается с обнаружения РНК-полимеразой участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции —промотора .

Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них фермент осуществляет синтез иРНК. Сборка нуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементарности нуклеотидам ДНК. Поскольку РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5'-конца к З'-концу матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, которая обращена к ферменту своим З'-концом (3'

- 5'). Такая цепь называется кодогенной. РН К-полимераза, продвигаясь вдоль кодогенной цепи ДНК, осуществляет точное переписывание информации, пока не повстречает специфическую нук­ леотидную последовательность - терминатор транскрипции, где фермент отделяется как от матрицы ДНК, так и от вновь синтезиро­ ванной иРНК. Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор, транскрибируемую последовательность и терминатор, образует единицу транскрипции -транскриптон .

2.2. ОРГАНИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА У

НЕКЛЕТОЧНЫХ ФОРМ, ПРО- И ЭУКАРИОТ

К неклеточным формам жизни относятся вирусы и бактериофаги (рис. 2.5). Вирусы (лат. virus - яд) - неклеточные формы жизни, спо­ собные проникать в определенные живые клетки и размножаться толь­ ко внутри этих клеток. Бактериофаги - вирусы бактерий. В вирусах присутствует всегда один тип нуклеиновой кислоты (либо ДНК, либо РНК), поэтому все вирусы делят на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Нуклеиновая кислота является носителем наследственной информации .

Все вирусы разделяют на простые и сложные. Простые вирусы со­ стоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки (капсида). Слож­ ные вирусы помимо нуклеиновой кислоты и белков капсида могут со­ держать липопротеиноидную мембрану, углеводы и неструктурные белки. Размеры вирусов колеблются от 15 до 350 и даже 2000 нм. Мо­ лекулярная масса вирусных ДНК достигает около 200x10°, а вирусных РНК - от 10° до 15x10°. Формы нуклеиновых кислот многообразны .

Наряду с двухцепочными ДНК и одноцепочными РНК встречаются одноцепочные ДНК и двухцепочные РНК. ДНК могут иметь линей­ ную и кольцевую структуры. РНК, как правило, линейны и у некото­ рых вирусов могут быть представлены набором фрагментов, причем каждый фрагмент несет определенную часть генетической информа­ ции, необходимой для репродукции вируса .

У прокариот наследственный материал представлен единственной

Рис. 2.5. Схема строения внеклеточных форм:

а - вирус табачной мозаики (1 - белковая частица; 2 - молекула РНК); б - бактерио­ ф аг Т2 (3 - ДН К ; 4 - головка; 5 - хвост; 6 - базальная пластинка; 7 - нити); в - вирус и м м унодеф ицита человека (п о К. С венсон, П. У эбстер, 1980 и Р. Галло, 1987) .

–  –  –

кольцевой молекулой ДНК, которая располагается в цитоплазме клет­ ки (рис. 2.6). У кишечной палочки длина ДНК составляет около 1 мм .

Она содержит 4xlOf пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов .

Основная масса ДНК прокариот (около 95%) активно транскрибиру­ ется в каждый данный момент времени. У прокариот не обнаружено гистонов, обеспечивающих нуклеосомную организацию хроматина эукариот. Молекуле ДНК прокариот присуща укладка в виде петель .

Она комплексируется с некоторыми гистоновыми белками, образуя нуклеоид, который менее устойчив по сравнению с хроматином эука­ риот .

У эукариот в интерфазном ядре наследственный материал пред­ ставлен хроматином (греч. chroma, род.пад. chromatos - цвет, крас­ ка). При переходе клетки к митозу, хроматин приобретает вид окра­ шенных телец - хромосом. Интерфазную и метафазную формы су­ ществования хромосом расценивают как два полярных варианта их структурной организации .

Кроме ДНК, хроматин содержит много разных белков, среди которых больше всего гистонов - положительно заряженных щелоч­ ных белков с молекулярной массой 10-20 тыс. дальтон. На долю гистонов приходится до 80% белков хроматина. Гистоны связаны с ДНК в виде субъединиц нуклеосом. Их делят на 5 классов: HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Гистоны НЗ и Н4 богаты аргинином, являются наиболее консервативными. Их аминокислотный состав одинаков даже у таких отдельных видов как корова и горох. Гистоны Н2А и Н2В относятся к белкам, умеренно обогащенным лизином. Гистон Н1 представляет класс белков, состоящих из нескольких близкородственных белков с перекрывающимися последовательностями аминокислот. У этих белков обнаружены значительные межвидовые и межтканевые вариа­ ции. Количество и качество гистонов влияет на степень компактности и активности хроматина .

Согласно распространенной точке зрения хроматин представлен спирализованными нитями. Выделяют четыре уровня упаковки генетического материала эукариот: нуклеосомный, супернуклеосомный, хроматидный, метафазной хромосомы (рис. 2.7) .

Нуклеосомный или нуклеосомная нить. Этот уровень организа­ ции хроматина обеспечивается объединением двух копий гистоновых белков Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Они образует белковые тела, напоминаю­ щие по форме шайбу - коры, образованные из восьми молекул (по 2 молекулы каждого вида). Молекула ДНК спирально накручивается на белковые коры (рис. 2.7.а). При этом с каждым кором в контакте оказывается участок ДНК, состоящий из 146 пар нуклеотидов, обра­ зующих 1,75 оборота (рис. 2.7.6). Остальные 54 пары нуклеотидов ДНК формируют участок не связанный с белками сердцевины линкер, который соединяет две соседние нуклеосомы и переходит в ДНК следующей нуклеосомы .

В опытах in vivo показано, что структура нуклеосомной нити зависит от концентрации хлорида натрия. Так, при концентрации NaCl 100 Ммоль на одном витке хроматиновой нити умещается 7-8 нуклеосом .

При снижении концентрации NaCl на витке остается 3-4 нуклеосомы,

Р и с. 2.7. М о л ек у л я р н а я о р г а н и з а ц и я х р о м о с о м ы :

а - свободная нуклеосомная частица; б - нуклеосомная нить; в - соеди н ен и е соседн и х нуклеосом с помощ ью гистона; г - цепочка хроматиновых глыбок, образуем ы х нукл еосом ам и и разделённы х участками ДН К. свободны м и от белковых тел; д - зависи­ мость нуклеосом ной структуры хроматина от концентрации N aC l (1 0 0 мМ оль N aC l

- 6 -8 нуклеосом в одном витке хроматиновой нити, при сниж ении концентрации соли число нуклеосом уменьш ается); е - иинтерфазная хром онем а (п о В.Н. Ярыгину. 1997 и Ф. Ф огель, А. Мотульский, 1989) .

а при отсутствии соли нуклеосомы мало контактируют одна с другой (рис. 2.1.д). Нуклеосомный уровень упаковки хроматина играет как регуляторную, так и структурную ро ль, обеспечивая плотность упаков­ ки ДНК в 6-7 раз .

В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм со средней длиной 5 см приобретает диаметр 10-11 мкм и длиной 2 см .

Супернуклеосомный или хроматиновая фибрилла. Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается гистоном Н1, который соединяясь с линкерной ДНК и с двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом (рис. 2.7.в). Такая хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной, имеет диаметр 30 нм. и длину 1,2 мм (рис. 2.7.г). Нуклеосомные цепочки хроматина уклады­ ваются так, что возникает не хаотичная агрегация, а линейное чередование нуклеотидов вдоль компактизированной молекулы ДНК .

Второй супернуклеосомный уровень складки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК, которая становится практически недоступной для взаимодействия с ферментами, резко падает способ­ ность хроматина связы ваться с РНК-полимеразой и другими регуляторными белками. Таким образом, второй уровень компактизации ДНК может играть роль фактора инактивирующего гена .

Хроматидный (петлевой) уровень упаковки хроматина. Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов, которая в дальнейшем составляет основу хроматиды. Их можно увидеть в профазе митоза и при деконденсации хромосом в телофазе .

Нить ДНК в связи с белками укорачивается в 10-20 раз (рис. 2.7.е) .

Метафазная хромосома. Вступление клетки из интерфазы в ми­ тоз сопровождается суперкомпатизацией хроматина, в результате чего хромосомы становятся хорошо различимыми. Этот процесс, начина­ ясь в профазе, достигает своего максимального выражения в мета­ фазе и анафазе митоза. Митотическая суперспирализация облегчает расхождение хромосом к полюсам митотического веретена в анафазе митоза .

Изучение профазных хромосом показывает, что процесс конденса­ ции хромосомного материала включает образование из фибрилл дезоксирибонуклеотида нитчатых хромонемных структур. В поздней анафазе и ранней телофазе можно видеть признаки хромонемной организации хромосом. Сближенные в линейном порядке хромомеры образуют толстые (0,1-0,2 мкм) хромосомные нитчатые структуры, хорошо заметные в световом микроскопе .

Участки интерфазной хромонемы, подвергаясь компактизации, образуют структурные блоки, которые выявляются в интерфазном ядре в виде глыбок хроматина .

В зависимости от состояния хроматина выделяют эухроматиновые участки с меньшей плотностью упаковки в неделящихся клетках и потенциально транскрибируемые и гетерохроматиновые участки с ком­ пактной организацией и генетической инертностью, поскольку не про­ исходит транскрипции информации. Различают конститутивный и факультативный гетерохроматин .

Конститутивный гетерохроматин содержится в околоцентромерных и теломерных участках хромосом, на протяжении некоторых внутренних фрагментов отдельных хромосом. Полагают, что консти­ тутивный гетерохроматин обеспечивает поддержание общей струк­ туры ядра, прикрепление хроматина к кариолемме, участвует во вза­ имном узнавании хромосом в мейозе, разделении соседних струк­ турных генов и в процессах регуляции их активности .

Факультативный гетерохроматин информативен, ибо содержит гены и может переходить в эухроматин. Примером факультативного гетерохроматина служит тельце полового хроматина, которое образу­ ется в норме в клетках организмов гомогаметного пола .

Образование факультативного гетерохроматина за счет генетичес­ кого материала других хромосом сопровождает процесс клеточной дифференцировки, служит механизмом выключения из активной функции групп генов, транскрипция которых не требуется в клетках данной спе­ циализации .

Хромосомная ДНК состоит из более чем 108 пар азотистых осно­ ваний, из которых образуются информативные блоки - гены, распо­ ложенные линейно и содержащая информацию для синтеза полипеп­ тида или РНК (рРНК, тРНК). На их долю приходится до 25% ДНК .

Между генами находятся спейсеры - неинформативные отрезки ДНК разной длины. Избыточные гены представлены большим числом (до

104) идентичных копий, например, гены для тРНК, рРНК, гистонов. В ДНК встречаются последовательности одних и тех же нуклеотидов .

Они могут быть умеренно повторяющимися и высоко повторяющи­ мися последовательностями. Умеренно повторяющиеся последова­ тельности достигают 300 пар нуклеотидов с повторениями 102 -104 и представляют чаще всего спейсеры, избыточные гены. Высокопов­ торяющиеся последовательности (105 -106) образуют конститутивный гетерохроматин. Около 75% всего хроматина не участвует в транс­ крипции, он приходится на высокоповторяющиеся последовательнос­ ти и нетранскрибируемые спейсеры .

2.3. КОДИРОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Генетическая информация закодирована в ДНК. Г.А. Гамовым (1904-1968) было высказано предположение, что кодирование инфор­ мации в молекулах ДНК должно осуществляться сочетаниями не­ скольких нуклеотидов. Для шифровки 20 незаменимых аминокислот при наличии в составе ДНК четырех видов нуклеотидов может быть использован лишь триплетный код, в котором каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами. Генетический код (табл. 2.1.) был выяснен М. Ниренбергом и Х.Г. Корана в 1965 г., за что они были удостоены Нобелевской премии .

–  –  –

С о к р а щ е н н ы е н а зв а н и я а м и н о к и сл о т :

А ла - аланин; A p r - арганин; А сн - аспаргин; А сп - аспаргиновая кислота; Вал валин; Гис - гистидин; Гли - глицин; Глн - глутамин; Глу - глутаминовая кислота;

И ле - изолейцин; Лей - лейцин; Л из - лизин; М ет - метеонин; Про - пролин; С ер серин; Тир - тирозин; Тре - треонин; Три - триптофан; Фен - фенилаланин; Ц ис цистеин; Термн - терминальный кодон .

Результаты этих работ явились самым значительным шагом в молекулярной биологии для понимания жизненных процессов .

Постулаты кода имеют следующие формулировки:

1) Генетический код триплетный. Триплет иРНК получил назва­ ние кодона .

2) Генетический код является вырожденным, т.к. одной амино­ кислоте соответствует, как правило, более чем один кодон. В кодо­ нах для одной аминокислоты первые два нуклеотида чаще всего оди­ наковы, а третий варьирует .

3) Нуклеотидная последовательность считывается в одном на­ правлении подряд, триплет за триплетом. Кодоны не перекрываются .

4) АУГ представляет стартовый кодон .

5) УАГ (амбер), УАА(охре), УГА (опал) - кодоны терминаторы .

6) Генетический код универсален, он един для всех организмов и вирусов .

Структура ДНК, материального носителя наследственности, ключ к пониманию химии жизни. Изучение этой структуры, тесно связанной с функциями генов, способствовало решению многих воп­ росов: как воспроизводятся гены? какова природа мутаций? каким образом гены определяют структуру белка? Однако все ответы, под­ сказанные знанием структуры ДНК, представляли собой новые ги­ гантские проблемы, поскольку функция ДНК оставалась, а отчасти и сейчас остается не разгаданной во многих деталях и, кроме того, все эти ответы требовали экспериментального подтверждения. Раскры­ тие структуры ДНК вызвало лавину биологических исследований и формирование новых гипотез и теорий .

КЛЕТОЧНЫ Й УРО ВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

ГЛАВА III. БИОЛОГИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Цитология (греч. cytos - клетка, logos - наука) - раздел биологии, занимающийся изучением структурной и функциональной организации клетки как единицы живого. Предмет цитологии - клетки однокле­ точных (бактерии, протесты, водоросли, грибы), а также многоклеточ­ ных (животные, растения, грибы) организмов. Задачи цитологии изучение строения и функций клеток, их химического состава, взаимосвязи друге другом в многоклеточном организме, размножения и развития, приспособлений к условиям окружающей среды .

Открытие клетки связано с именами ученых микроскопистов — Роберта Гука (1635-1703), М. Мальпиги (1628-1694), Н. Грю (1641 и других, описавших клеточное строение многих растительных объектов, а также с именем А. Левенгука (1632-1723), впервые на­ блюдавшего простейших, сперматозоиды, бактерии, эритроциты и их движение в капиллярах. Следует отметить, что микроскописты XVIIXVIII веков обращали внимание в первую очередь на хорошо заметную оболочку клетки .

3.1. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ, ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ

МЕДИЦИНЫ

В 1825 г. Я. Пуркине впервые отметил наличие ядра в курином яйце и показал, что клетка заполнена полужидким веществом, которое он назвал протоплазмой (греч. protos - первый, plasma - оформленное) .

В 1831 г. английский ботаник Р. Броун и в 1836 г. чешский ученый Г .

Валентин обнаруживают ядро в растительных и животных клетках .

В 1838 г. немецкий ботаник М. Шлейден делает вывод, что ядро является важнейшей составной частью клетки, и с ним связано образование новых клеток. Таким образом, открытие клетки не яв­ ляется заслугой какого-то одного ученого. Это коллективный труд многих исследователей на протяжении почти двух столетий .

В 1839 г. немецкий зоолог Т. Шванн опубликовал труд «Микроско­ пические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», в котором были заложены основы клеточной теории. В этой работе Т.

Шванн пришел к важным выводам:

1). Клетка является главной структурной единицей всех раститель­ ных и животных организмов .

2). Процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку растительных и животных тканей .

3). Клетка в определенных границах есть индивидуум, некое само­ стоятельное целое, а организм —своеобразная их сумма .

4). Новые клетки возникают из цитобластемы .

Первых два вывода Т. Шванна сохраняют достоверность и сегод­ ня, чего нельзя сказать о последних, которые представляет истори­ ческий интерес .

Дальнейшее развитие клеточной теории связано с именем немец­ кого врача и ученого Рудольфа Вирхова, который в 1858 г. опубликовал свой труд «Целлюлярная патология». Р. Вирхов впервые подходит к объяснению патологического процесса материалистически, показав связь его в организме с морфологическими структурами, с опреде­ ленными изменениями в строении клеток. Р. Вирхов опровергает оши­ бочный тезис Т.

Шванна о цитобластеме и взамен выдвигает другой:

«Omnis cellula е cellula» - каждая клетка из клетки, что блестяще подтвердилось дальнейшим развитием биологии .

На основании результатов изучения клетки в XX веке, получен­ ных с помощью современных методов, завершилось формирование современной клеточной теории, основные положения которой сфор­ мулированы в виде следующих постулатов .

1. Клетка - основная единица строения и развития всех живых организмов .

2. Клетки одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по строению, химическому составу и важнейшим проявлениям жиз­ недеятельности .

3. Размножение клеток происходит путем деления материнской клетки .

4. Клетки многоклеточных организмов специализированы по фун­ кциям и образуют ткани, а клетки специализированных тканей форми­ руют органы .

Клеточная теория - одно из крупнейших обобщений естествозна­ ния XIX века, которое обусловило прогресс естествознания. Созда­ ние клеточной теории имело большое значение для утверждения современных представлений во всех областях биологии и медицины .

3.2. БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ Все живое представлено или отдельно живущими клетками, или целостными ансамблями клеток (многоклеточные организмы). Его принято разделять на два надцарства: Прокариоты и Эукариоты. Надцарство Прокариоты включает два царства - Археобактерии и Бактерии (в т.ч. Циоанобактерии или Сине-зеленые водоросли). Надцарство Эукариоты включает царства - Грибы, Растения и Животные .

Прокариотические клетки лишены ядра. У них нет обособленной от остальной цитоплазмы ДНК-содержащей структуры. В составе цитоплазмы прокариотических клеток нет особых структур - органелл. Прокариоты мельче эукариот (0,5-3-5 мкм), структурно проще организованы и, вероятно, представляют собой более древнюю груп­ пу организмов (рис. 2.6) .

Клетки эукариотических организмов крупнее (13 мкм), обладают сложно организованным ядром и в их цитоплазме выделяются обяза­ тельные внутриклеточные структуры - органеллы .

Клетка - элементарная, живая, ограниченная активной мембраной система биополимеров, образующих ядро и цитоплазму, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом и подчиненная высшим регуляторным механизмам (эндокринной, нервной, гуморальной систем) со стороны целостного организма. Клетка является элементарной структурно-функциональной генетической единицей всех живых организмов, обеспечивая в них обмен веществ и энергии, размножение, рост и развитие, раздражимость и движение, наследственность и изменчивость, гомеостаз .

Структурными компонентами эукариотической клетки являются цитоплазма и ядро, которые отграничены от соседних клеток плазмолеммой (рис. 3.1) .

Плазмолемма или клеточная оболочка (греч. plasma - вылеп­ ленное, lemma - оболочка), имеет жидкостно-мозаичное строение (рис. 3.2.6).

Она состоит из двойного слоя липидных молекул:

неполярных гидрофобных поверхностей, обращенных друг к другу, и полярных гидрофильных, обращенных к цитоплазме и внешней среде .

В мембрану встроены белки, участки молекул которых, богатые полярными аминокислотами, взаимодействуют с гидрофильными поверхностями липидов. Неполярные участки белков вступают в контакт с гидрофобными поверхностями мембраны (рис. 3.2.а). В животных клетках на наружной поверхности плазмолеммы находится гликокаликс толщиной 10-20 нм, который в химическом отношении представляет комплексы полисахаридов с белками (гликопротеины) и жирами (гликолипиды), а в растительной клетке имеется клеточная стенка, образованная целлюлозой. В состав плазмолеммы входят белки-ферменты, транспортные, рецепторные и структурные белки .

П. Агре и сотр. (1993) выделили в мембране белки с функцией переносящего воду канала, которые получили название аквапоринов

Р и с. 3.1. С х е м а ст р о е н и я ж и в о т н о й клетк и:

1 - п ин оц итозн ы е канальцы; 2 - д есм о со м а ; 3 - межклеточная щель; 4 - грануляр­ ная эн доплазм атическая сеть; 5 - клеточная м ембрана; 6 - плотны й контакт; 7 - м и ­ тохондри я; 8 - базальная м ем брана; 9 - базальны е лакуны; 10 - лизосомы ; 11 центриоли; 12 - аппарат Гольджи; 13 - хроматин; 14 - ядрышко; 15 - ядерная о б о ­ лочка с порами; 16 - р и босом ы ; 17 - гладкая эндоплазм атическая сеть; 18 - м икро­ ворсинки (п о Э. Х а д о р н, Р. В енер, 1989) .

(лат. aqua —вода и греч. porus - канал). Аквапорины обнаружены в мембранах клеток головного мозга, эндокринных желез, почек, эндотелия кровеносных сосудов, в хориоидальном сплетении .

Аквапоринам принадлежит определенная роль в поддержании водного гомеостаза головного мозга. Повышение водной проница­ емости гематоэнцефалического барьера, сопровождающегося отеком головного мозга, связано с активностью аквапоринов. Аквапорины рассматриваются как молекулярные мишени, воздействуя на которые Р и с. 3.2.

Э л е к т р о н н а я м и к р о ф о т о г р а ф и я ( а ) и с х е м а с т р о е н и я ( б ) э л е м е н т а р ­ н о й м е м б р а н ы (п л а з м о л е м м ы ):

а: 1 - трёхслой н ы е элем ентарны е м ем браны ; 2 - м еж клеточное пространство; б: 1 молекула белка; 2 - молекула ф осф ол и п и д а; 3 - м еж клеточное п ространство; 4 бимолекулярны й липидны й сл ой плазм апеммы ; 5 - внутриклеточное пространство (п о Э. Х адор н, Р. В енер, 1989) .

можно будет корректировать нарушенные функции органов и тканей .

Они обеспечивают трансмембранное перемещение воды и фармако­ логических препаратов .

Принцип строения внутренних биологических мембран, т.е .

мембран, ограничивающих органеллы, тот же, но у них отсутствует гликокаликс. Изнутри к мембране примыкает кортикальный слой цитоплазмы толщиной 0,1-0,5 мкм, где, в значительном количестве находятся микротрубочки и микрофиламенты, содержащие в своем составе сократительные белки. Плазмолемма выполняет разграни­ чивающую, барьерную и транспортную функции, регулирует химический состав внутренней среды клетки благодаря свойству избирательной проницаемости. В плазмолемме размещены молекулы рецепторов, способные избирательно распознавать биологически активные вещества. Благодаря наличию рецепторов клетка может воспринимать сигналы извне, реагировать на изменения в окружающей среде или в состоянии организма. Соседние клетки удерживаются благодаря наличию разного вида контактов, образованных участками плазмолеммы .

Цитоплазма представлена основным веществом (гиалоплазма или цитоплазматический матрикс), в котором распределены органеллы и включения. Гиалоплазма является основным веществом клетки, с которым связаны коллоидные свойства цитоплазмы, ее вязкость, эластичность, сократимость, внутреннее движение. Под электронным микроскопом она представляется однородной, тонкозернистой, иногда обнаруживаются тонкие нити или пучки. Основное вещество гиалоплазмы представляет сложную коллоидную систему, способную переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное. В состав гиалоплазмы входят растворимые белки, представленные ферментами гликолиза, многими АТФ-азами, а также полисахариды, липиды, аминокислоты. За счет белков гиалоплазмы формируются такие структуры, как микротрубочки. Функционально цитоплазмати­ ческий матрикс - внутренняя среда клетки, место осуществления внутриклеточного обмена. Важнейшие из белков представлены ферментами гликолиза, обмена сахаров, азотистых оснований амино­ кислот, липидов. Основное вещество гиалоплазмы образует истинную внутреннюю среду клетки, которая объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает взаимодействие их друг с другом. Через гиалоплазму осуществляется значительный объем внутриклеточных перемещений веществ и структур .

Органеллы - постоянные высокодифференцированные цитоплаз­ матические образования, выполняющие определенную функцию .

Различают органеллы общего и специального назначения. Органеллы общего назначения встречаются во всех видах клеток (эндоплазма­ тическая сеть, рибосомы, пластинчатый комплекс, лизосомы, мито­ хондрии, пластиды, центросома, микротельца). Органеллы специаль­ ного назначения характерны для определенного типа клеток (миофибриллы, нейрофибриллы, реснички, жгутики, тонофибриллы) .

В зависимости от особенностей строения органелл, они делятся на две группы: мембранные органеллы (эндоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс, митохондрии, лизосомы, микротельца, пероксисомы) и немембранные органеллы (рибосомы, центросома, мик­ ротрубочки, микрофиламенты) .

Эндоплазматическая сеть, или вакуолярная система, образо­ вана трубчатыми или уплощенными полостями, ограниченными мем­ бранами, которые распространяются по всей цитоплазме клетки. Мем­ браны могут быть гранулярными (рис. З.З.б) и гладкими. ГранулярР и с. 3.3. Э л е к т р о н н а я м и к р о ф о т о г р а ф и я м и т о х о н д р и и (а ), г р а н у л я р н о й э н ­ д о п л а з м а т и ч е с к о й с е т и ( б ) и ц е н т р о с о м ы (в ) (п о B io lo g ic a l S c ie n c e an in q u iry in to lif e, 1 9 8 0 ) .

ность обусловлена прикреплением к ним рибосом. Гранулярные мембраны выполняют функцию синтеза бел ков, преимущественно уда­ ляемых из клетки, например, секретируемых клетками желез белков и липидов цитоплазматических мембран. Участки наиболее активного белкового синтеза являются цистернами гранулярной сети, которые называются эргастоплазмой. Мембраны гладкой цитоплазматической Р и с. 3.4. Э л е к т р о н н а я м и к р о ф о т о г р а ф и я п л а с т и н ч а т о г о к о м п л е к с а Г о л ь д ж и (а ) и л и з о с о м ы ( б ) ( п о B io lo g ic a l S c ie n c e an in q u ir y in to lif e, 1 9 8 0 ) .

сети связаны с обменом углеводов, жиров, стероидных гормонов. По каналам и цистернам происходит перемещение веществ от места син­ теза в зону упаковки в гранулы. В эндоплазматической сети печеноч­ ных клеток происходит обезвреживание вредных, токсических ве­ ществ. В канальцах и пузырьках гладкой сети скелетных мышц де­ понируются ионы кальция, участвующие в процессе сокращения .

Рибосомы - округлые рибонуклеопротеиновые частицы диамет­ ром 15-35 нм. Каждая рибосома состоит из двух неравных частей малой и большой субъединиц, объединение которых происходит в присутствии иРНК. Одна молекула иРНК обычно объединяет не­ сколько рибосом. Такую структуру называют полисомой. Полисомы свободно располагаются в гиалоплазме или прикрепляются к мемб­ ранам цитоплазматической сети и являются местом активного синтеза белка. На полисомах гиалоплазмы образуются белки для нужд клетки, тогда как на полисомах гранулярной сети синтезируются белки, выводимые из клетки и используемые для нужд организма (белки грудного молока, пищеварительные ферменты) .

Пластинчатый комплекс Гольджи, названный так в несть обна­ ружившего и описавшего его итальянского ученого К. Гольджи (1844виден в световом микроскопе как дифференцированный учас­ ток цитоплазмы, расположенный обычно возле ядра. В клетках выс­ ших животных он выявляется как сетчатая структура или в виде скоп­ ления чешуек, палочек и зернышек. По данным электронномикрос­ копических исследований установлено, что пластинчатый комплекс построен также из мембран и напоминает стопку цистерн, положен­ ных друг на друга, или систему трубочек с пузырьками на концах (рис. 3.4.а). В клетках растений и беспозвоночных животных плас­ тинчатый комплекс образован небольшими тельцами - диктиосомами, рассеянными по всей цитоплазме. Диктиосома представлена стоп­ кой из 3-12 дискообразных цистерн, от краев которых отшнуровываются пузырьки. Основная функция пластинчатого комплекса направ­ лена на концентрацию, обезвоживание и уплотнение продуктов внут­ риклеточной секреции и веществ, поступивших извне, предназначен­ ных для выделения из клетки. С пластинчатым комплексом связывают синтез гликолипидов, гликопротеинов, полисахаридов, образование зерен желтка в ооцитах, формирование гетеро- и аутолизосом .

Лизосомы (греч. lysis - растворение, soma - тело) - шаровидные пузырьки диаметром 0,2-0,4 мкм, содержащие набор ферментов кис­ лых гидролаз, катализирующих расщепление нуклеиновых кислот, белков, жиров, полисахаридов (рис. 3.4.6). Оболочка лизосомы обра­ зована одинарной мембраной, покрытой иногда снаружи волокнистым белковым слоем. Ферментами лизосом перевариваются также отмершие структуры клетки и целые погибшие в организме клетки .

Повреждения лизосом и выход ферментов из них в цитоплазму при­ водят к быстрому растворению всей клетки. Пищеварительные ваку­ оли в теле простейших и фагоцитах образуются, по-видимому, в ре­ зультате слияния лизосом. Различают первичные (неактивные) и вто­ ричные лизосомы, в которых происходит процесс переваривания. Вто­ ричные лизосомы образуются из первичных. Они подразделяются на гетеролизосомы (фаголизосомы) и аутолизосомы (цитолизосомы). В гетеролизосомах перевариваются вещества, поступающие в клетку извне, путем пиноцитоза и фагоцитоза. В аутолизосомах разрушают­ ся собственные структуры клетки, завершившие свою функцию .

Микротельца - сборная группа органелл, ограниченных одной мем­ браной, пузырьковидной формы диамером 0,1 -1,5 мкм. К микротельцам относят пероксисомы, которые содержат ферменты оксидазы, катали­ зирующие образование пероксида водорода. Последний разрушается под действием фермента пероксидазы. В печеночной клетке число пероксиР и с. 3.5. Э л е к т р о н н а я м и к р о ф о т о г р а ф и я х л о р о п л а с т а и з л и с т а р а с т е н и я м а ­ х о р к и (N ic o tia n a r u stic a ), в ы я в л я ю щ ая т о н к у ю ст р у к т у р у гр а н ы (хЗО 0 0 0 ) (п о К. В и л л и, 1 9 6 4 ) .

сом колеблется от 70 до 100 .

Митохондрии (греч. mitos - нить, chondros - зернышко) - струк­ туры округлой или палочковидной формы толщиной 0,5 мкм и длиной 5-10 мкм (рис. З.З.а). Количество митохондрий в животных клетках колеблется от 150 до 1500 и даже нескольких сотен тысяч (в женских половых клетках). Оболочка митохондрии образована двумя мемб­ ранами. Внутренняя мембрана образует впячивания листовидной (кристы) или трубчатой (тубулы) формы. В пространстве, ограничен­ ном внутренней мембраной, находится гомогенное вещество (мат­ рикс) митохондрии. В нем размещен собственный аппарат биосинте­ за белка органеллы. Он представлен кольцевыми молекулами ДНК, лишенными гистонов, рибосомами, тРНК, ферментами репликации ДНК, транскрипции и трансляции наследственной информации. Фун­ кция митохондрий состоит в извлечении и накоплении энергии из хи­ мических веществ в процессе окислительного фосфорилирования. Ми­ тохондрии участвуют в синтезе стероидных гормонов, некоторых ами­ нокислот .

Пластиды - органеллы, характерные для клеток растений. Каж­ дая пластида ограничена двумя элементарными мембранами, между которыми находятся граны (рис. 3.5). Они представляют собой зерна, образованные плотно прилегающими друг к другу мешочками из двойных мембран, которые погружены в матрикс или строму. В зави­ симости от характера пигмента, пластиды делятся на хромопласты, хлоропласты и лейкопласты. Хлоропласты характерны для зеленых клеток растений. В них осуществляется фотосинтез. Пластиды обес­ печивают синтез моно-, ди- и полисахаридов, могут участвовать и в синтезе белков. Его осуществляют рибосомы, расположенные внут­ ри пластид. Информация о биосинтезе в пластидах определяется ДНК, содержащейся в этой же органелле. Репродукция пластид про­ исходит путем деления собственной ДНК. Пластиды на ранних стадиях развития (пропластиды) напоминают митохондрии. Сходство в структуре между хлоропластами и митохондриями обусловлено, оче­ видно, значительным сходством их функций. В митохондриях осуще­ ствляется трансформация энергии, освобождающейся в процессе дис­ симиляции, а в хлоропластах происходит фотосинтез, сопровождаю­ щийся трансформацией солнечной энергии в химическую. Допуска­ ется, что пластиды имеют симбиотическое происхождение. Они про­ изошли от сине-зеленых водорослей, вступивших в симбиоз с пер­ вичной эукариотической клеткой .

Клеточный центр - органелла, хорошо видимая в световой мик­ роскоп, состоящая из одной или двух мелких гранул - центриолей и лучистой сферы вокруг них. С помощью электронного микроскопа показано, что каждая центриоль представляет цилиндрическое тель­ це длиной 0,3-0,5 мкм и диаметром около 0,15 мкм (рис. 3.3.в). Стен­ ки цилиндра состоят из девяти триплетов микротрубочек. Активная роль клеточного центра обнаруживается при делении клетки .

Расходясь в противоположные стороны, центриоли формируют по­ люсы делящейся клетки, между которыми образуются нити верете­ на деления, обеспечивающие расхождение сестринских хроматид в анафазе митоза. Клеточный центр принимает участие в полимери­ зации белков тубулина .

К органеллам общего назначения относят также микротрубочки (трубчатые образования) различной длины с диаметром 24 нм, ши­ риной просвета 15 нм и толщиной стенки около 5 нм, и микрофиламенты (длинные тонкие образования, выявляемые по всей цитоплаз­ ме, иногда образующие пучки). Микротрубочки входят как в струк­ турные элементы жгутиков, ресничек, центриолей, веретена деления, так и могут встречаться в свободном состоянии в цитоплазме клеток .

В свободном состоянии микротрубочки выполняют опорную функ­ цию, определяя форму клеток. Микрофиламенты обеспечивают кле­ точные формы движения (амебовидное), каркасную роль, участвуют Р и с. 3.6. Э л е к т р о н н а я м и к р о ф о т о г р а ф и я я д р а к л ет к и ( п о B io lo g ic a l S cien ce an inquiry into life, 1 9 8 0 ) .

в организации перемещений органелл и участков гиалоплазмы .

Включения - временные цитоплазматические образования, свя­ занные с внутриклеточным метаболизмом. Их появление и исчез­ новение зависит от функционального состояния клетки. Включения классифицируют на трофические (углеводные, белковые, жировые), секреторные (гранулы секрета желез), пигментные (меланин, липо­ фусцин, гемоглобин и др.) и экскреторные (щавелевая кислота, мо­ чевина) .

Ядро (лат. - nucleus, греч. - karyon) - постоянный структурный компонент всех животных и растительных клеток, играет большую роль в их жизнедеятельности и передаче генетической информации .

В клетках, размножающихся путем митотического деления, морфо­ логия ядер существенно изменяется, в силу чего еще с конца прошлого века различают два состояния ядра: митотическое - во время деления и интерфазное - в промежутке между митотическими делениями. В интерфазе обменные процессы в ядре, как и в клетке в целом, проте­ кают наиболее интенсивно. Ввиду этого, старое представление об интерфазном ядре, как о покоящемся, представляет теперь лишь исторический интерес. В разных клетках форма ядра значительно варьирует. Чаще ядра имеют шаровидную или эллипсоидную форму, что в значительной мере зависит от формы клетки, в которой находится ядро. Размеры ядер не только значительно разнятся в клетках различных типов, но могут быть неодинаковыми в клетках одного и того же типа. Имеется определенный полиморфизм размеров (объе­ мов) ядер клеток внутренних органов человека и разных животных .

Функциональное состояние клетки влияет на размер (объем) ядра .

Функциональное увеличение объема ядер рассматривается в каче­ стве критерия усиленной деятельности клетки. Соотношение объемов ядра и цитоплазмы называется ядерно-плазматическим отношени­ ем, которое, как полагают, является одним из факторов клеточного деления. Значение ядра сводится к двум моментам: роли в жизнеде­ ятельности клетки и в передаче генетической информации. Ядро клетки состоит из оболочки (кариолеммы), ядерного сока (кариоп­ лазмы), ядрышка и хроматина (рис. 3.6) .

Кариопемма хорошо заметна в световом микроскопе. Однако де­ тальное изучение структуры этого компонента ядра связано с дан­ ными электронной микроскопии. Кариолемма образована двумя эле­ ментарными мембранами, толщина каждого слоя колеблется от 0,006 до 0,009 мкм. Промежуток между ними - перинуклеарное простран­ ство - достигает 0,01-0,02 мкм. Наружная мембрана ядерной оболочки непосредственно переходит в мембраны эндоплазматичес­ кой сети. Ядерная оболочка проницаема и пронизана большим чис­ лом пор диаметром 0,08-0,09 мкм. По краям таких пор обе мембраны ядерной оболочки сливаются друг с другом. Поры не представляют собой пустые отверстия, т.к. заполнены веществом с умеренной электронной плотностью. В последнее время получены данные, что истинных пор в ядерной оболочке нет, но имеется много мест, где обе мембраны ядерной оболочки сливаются в один слой толщиной 0,03-0,04 мкм. В некоторых клетках поры имеются только во внут­ ренней мембране. Ядерная мембрана обладает свойством полупро­ ницаемости. Количество пор зависит от функционального состояния клетки. Область поры или поровый комплекс имеет определенное строение. С него начинается белковый слой (плотная пластинка), под­ стилающий внутреннюю мембрану кариолеммы, что указывает на сложный механизм регуляции ядерно-цитоплазматических перемеще­ ний веществ и структур. Допускается, что связь плотной пластинки с внутренней мембраной способствует упорядоченному расположению хромосом в интерфазном ядре. Функция ядерной оболочки заключа­ ется в обособлении генетического материала эукариотической клетки от цитоплазмы, где протекают сложные метаболические реакции и регуляция двусторонних взаимодействий ядра и цитоплазмы .

Кариоплазма образует внутреннюю среду ядра. Основу кариопIV <

–  –  –

лазмы составляют белки. Ядерный сок играет важную роль в обес­ печении нормального функционирования генетического материала. В нем присутствуют фибриллярные белки, что указывает на выполне­ ние ими опорной функции .

Ядрышко является также структурным компонентом интерфаз­ ного ядра. Оно исчезает в профазе и заново формируется в телофазе .

Основу составляет сеть особых нитевидных структур, состоящих их комплексов белков и гигантских молекул РНК-предшественниц, из которых затем образуются молекулы зрелых рРНК. Гены рРНК за­ нимают определенные участки одной или нескольких хромосом и представляют ядрышковые организаторы, в области которых и фор­ мируются ядрышки. Такие участки в метафазных хромосомах выглядят как сужения и называются вторичными перетяжками .

Хроматин является интерфазной формой существования хромо­ сом клетки. Его организация была рассмотрена в §2.2 .

Хромосомы - компоненты клеточного ядра, выявляющиеся в ме­ тафазе митоза, имеющие сложное строение, обладающие способно­ стью к репликации и передаче генетической информации в ряду кле­ точных поколений. Хромосомы имеют обычно вид прямых или изог­ нутых палочек (рис. 3.7), состоящих из двух хроматид. Конфигурация хромосомы определяется наличием первичной перетяжки и вторич­ ных перетяжек. В месте первичной перетяжки находится участок хро­ мосомы, лишенный ДНК. Внутри него находится особая структура центромера (кинетохор), при помощи которой хромосома прикрепля­ ется к нитям митотического аппарата. Центромера разделяет хроti3 ' % ГЖ т ж т <

–  –  –

50% (субметацентрическая хромосома) вплоть до смещения центро­ меры почти в концевое положение (акроцентрическая хромосома). В некоторых хромосомах имеется вторичная перетяжка, которая отделяет от хромосомы спутник и нить спутника, который обозначают буквой «S». Хромосомы строго подчиняются следующим правилам:

правило постоянства числа хромосом, т.е. для соматических клеток Таблица 3.1. Характеристика хромосом кариотипа человека Г руппы Х а р а к тер и ст и к а х р о м о с о м по п о л о ж е н и ю П ары хром осом ц ен т р о м е р ы и р азм ер ам хром осом

–  –  –

каждого вида характерно свое число хромосом; (у аскариды лоша­ диной - 2, у дрозофилы - 8, у человека - 46 хромосом); правило парности (пара - гомологичные хромосомы, аутосомы), — лошадиной у аскариды 1 пара хромосом, у дрозофилы - 4, у человека 23 пары;

правило индивидуальности - негомологичные хромосомы отличают­ ся; правило непрерывности — способность хромосом к авторепродук­ ции .

Диплоидный набор хромосом соматической клетки, характеризу­ ющийся их числом, величиной и формой, называется кариотипом .

Термин «кариотип» введен в 1924 г. русским цитологом Г.А .

Левитским. Нормальный кариотип человека включает 46 хромосом (23 пары в диплоидном наборе), из них 44 аутосомы и 2 половых хро­ мосомы (рис. 3.8 и 3.9). Расположение хромосом попарно в порядке убывающей величины называется идиограммой. Термин «идиограмма» и принцип ее построения предложен в 1921 г. цитологом С.Г .

Навашиным .

Хромосомы разделяют на группы в зависимости от их размеров и положения центромеры (табл. 3.1). Согласно Денверской классифи­ кации (1960) все хромосомы были классифицированы но величине и расположению центромеры. К. Патау в том же году предложил разделить хромосомы на 7 групп, обозначив каждую группу буквами латинского алфавита .

В дальнейшем классификация хромосом дополнялась на основе дифференциального окрашивания метафазных хромосом и избира­ тельного выявления отдельных фрагментов. Расположение окрашива­ емых участков по длине хромосомы зависит от локализации опреде­ ленных фракций ДНК. Характер окрашивания специфичен для каждой негомологичной хромосомы, что позволяет составить ’’химические” карты хромосом. На основе избирательной окраски в 1971 г.вПариже были разработаны карты линейной дифференцированности хромосом человека и предложена система их обозначения (рис. 3.10) .

3.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ,

ИНФОРМАЦИИ И ВЕЩЕСТВА В КЛЕТКЕ

Клетка является открытой саморегулирующейся системой, т.к. для нее характерен поток вещества, энергии и информации. На уровне как организма, так и клетки различают внешний и внутренний обмен веществ. Внешний обмен веществ в организме - это обмен с внеш­ ней средой, т.е. поступление питательных веществ и выделение шла­ ков. Внутренний обмен веществ в организме осуществляется путем диссимиляции и ассимиляции. По типу ассимиляции выделяют гете­ ротрофные, миксотрофные и автотрофные организмы; по типу дисси­ миляции - аэробные и анаэробные (рис. 3.11) .

Поток энергии. Энергия - это «способность производить внеш­ нее действие, т.е. совершать работу» (М. Планк). По виду обмена веществом или энергией с окружающей средой различают следующие виды систем: изолированные - никакой обмен не возможен; адиаба­ тические - невозможен обмен веществом, но возможен обмен энер­ гией, кроме тепловой; замкнутые - невозможен обмен веществом, но возможен обмен энергией в любой форме; открытые системы возможен любой обмен веществом и энергией. Поток энергии у орга­ низмов представлен внутриклеточными механизмами энергообеспеР и с 3.1 1. К л ет к а как от к р ы тая с а м о р е г у л и р у ю щ а я с я с и с т е м а (ор и г.) .

чения - фотосинтезом, хемосинтезом, брожением и дыханием .

В клетках гетеротрофных организмов поток энергии обеспечивает­ ся процессами брожения и дыхания. При брожении продукты дисси­ миляции разрушаются не полностью, а именно, до органического ве­ щества, еще богатого энергией. Поэтому выход энергии при брожении невелик. Этот процесс происходит в гиалоплазме. Центральная роль в обмене энергией у гетеротрофных организмов принадлежит процессу дыхания, благодаря которому происходит расщепление таких низкока­ лорийных органических веществ, как глюкоза, жирные кислоты, ами­ нокислоты и использование выделяемой при этом энергии для синтеза макроэргического соединения АТФ. Синтез АТФ происходит на внут­ ренней мембране и кристах митохондрий, содержащих ферменты цик­ ла Кребса. Энергия АТФ в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы - химическую, механическую, регуляторную, осмотическую, электрическую .

Из механизмов, обеспечивающих жизнедеятельность клетки энер­ гией, анаэробный гликолиз менее эффективен. Недоокисленные про­ дукты гликолиза (пируват) поступают в митохондрии, где в условиях полного окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ до АТФ, отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию .

Из преобразователей энергии химических связей АТФ в работу наиболее изучена механо-химическая система скелетной мышцы .

Она состоит из сократительных белков актина и миозина и фермента аденозинтрифосфатазы, расщепляющего АТФ с высвобождением энергии. Механизмы энергообеспечения клетки отличаются доста­ точной эффективностью. Коэффициенты полезного действия хлороп­ ласта и митохондрии составляют 25% и 45-60% соответственно. Они превосходят аналогичные показатели паровой машины (8%) и двигателя внутреннего сгорания (17%) .

В процессе фотосинтеза солнечная энергия в растительных клет­ ках преобразуется в энергию химических связей в виде АТФ и НАДФ Н2, которая затем используется в пластическом обмене. У хемосинтетиков происходит преобразование одного вида энергии хи­ мических связей в другой вид. Так, нитрофицирующие бактерии окис­ ляют аммиак до нитритов, а затем до нитратов; серобактерии окисля­ ют сероводород до серной кислоты; железобактерии переводят закисное железо в окисное. Энергия, которая выделяется при окисле­ нии указанных соединений, используется хемосинтетиками для вос­ становления диокисида углерода до органических соединений .

Поток информации. Живому организму свойственен также об­ мен информацией (поток информации). Клетки и организм получают информацию о том, что происходит в окружающей среде —о свете, питательных, веществах, половом партнере, враге и т.д. (внешний по­ ток). Другой такой поток информации все время выходит из организ­ ма, служащего в свою очередь передатчиком (внутренний поток) .

Информацию нельзя определить ни как материю, ни как энергию, но ее переносят материальные или энергетические носители (сигналы) .

При гормональной связи химический сигнал (гормон) попадает во все части организма, но только определенные органы способны принять данный сигнал. Например, тиреотропин (гормон передней доли гипофиза) специфически воздействует на щитовидную железу. При нервной связи информационным параметром служит число импуль­ сов в единицу времени (частота импульсов) .

Количество информации в том или ином сигнале измеряют в би­ тах (англ, bitt - двоичный знак). У человека максимальный поток ин­ формации, направленный главным образом по зрительному анализа­ тору внутрь, оценивается в 108-109 бит/с. Из этого количества лишь около 50 бит/с доходит до сознания. В памяти может прочно удержи­ ваться только 1 бит/сек, что составляет 109 бит за 80 лет жизни (для сравнения: книга среднего объема содержит около 106 бит). Для уп­ равления поведением человека, активностью его физиологических функций необходим выходной (направленный из мозга) поток инфор­ мации объемом 107 бит/с. Он обеспечивается подключением про­ грамм, содержащихся в памяти. Клетка воспринимает поток внеш­ ней информации из межклеточной жидкости при помощи рецепторов, расположенных на клеточной мембране .

Поток внутренней информации в организме осуществляется при помощи коры головного мозга и желез внутренней секреции. Внут­ ренняя информация в клетке записана в ДНК. В потоке внутренней информации принимают участие ядерная и цитоплазматическая ДНК, макромолекулы, переносящие информацию (иРНК), цитоплаз­ матический аппарат трансляции (полисомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). На завершающем этапе этого потока, синтезированные полипептиды приобретают свойственную им структуру. Внутренний поток информации в клетке обеспечивает наследственную преемственность видовых признаков из поколения в поколение. Кроме информации, содержащейся в геноме ядра, в эукариотических клетках функционируют также геномы митохонд­ рий и хлоропластов, которые участвуют в обеспечении потока внут­ ренней информации .

Поток вещества. «Живое вещество» или «живое состояние» это в первую очередь, не структура, а процесс. Структуры живого не стаР и с 3.1 2.

С в я зы в а н и е м о л ек у л ы т -Р Н К с р и б о с о м о й :

а - н ен а гр у ж ен н а я р и б о со м а ; б - н а гр у ж ен н а я р и б о с о м а ; ак - а м и н о к и сл о т а (п о В.Н. Я р ы ги ну, 1 9 9 7 ) .

бильны, а постоянно разрушаются и строятся заново. Это обновле­ ние (поток вещества) протекает с различными скоростями. Мерой потока вещества служит период биологического полуобновления т.е. время, за которое половина данного вещества заменяется новыми молекулами. Поток вещества характеризуется пластическим обме­ ном в клетке - фотосинтезом, хемосинтезом, биосинтезом белков и др. В процессе синтеза белка участвуют все три разновидности РНК, однако степень их участия различна .

Последовательность процессов синтеза полипептидных цепей белковой молекулы представляется следующим образом .

1. Активация аминокислоты специфическим ферментом в присут­ ствии АТФ с образованием аминоациладенилата .

2. Присоединение активированной аминокислоты к специфической тРНК с высвобождением аденозинмонофосфата (АМФ) .

3. Связывание аминоацил - тРНК (тРНК, нагруженной аминокис­ лотой) с рибосомами и включение аминокислот в белок с высвобож­ дением тРНК .

В рибосомах имеются две бороздки, одна из которых удерживает растущую полипептидную цепь, а другая - иРНК. Кроме того в ри­ босоме выделяют два участка для связывания тРНК (рис. 3.12). В Аучастке (аминоацильном) размещается аминоацил-тРНК, несущая аминокислоту, и в П-участке (пептидильном) располагается тРНК, нагруженная цепочкой аминокислот (пептидным фрагментом) .

В ходе трансляции выделяют три фазы: инициации, элонгации и терминации синтеза пептидной цепи (рис. 3.13) .

Рис. 3.13. Элонгация (а) и терминация (б) синтеза полипептидной цепи (по В.Н. Ярыгину, 1997) .

Инициация обеспечивает начало синтеза пептида. Она заключа­ ется в объединении, двух находящихся до этого порознь в цитоплазме, субчастиц рибосомы на определенном участке иРНК и присоедине­ нии к ней первой аминоацил-тРНК. В молекуле иРНК вблизи ее 5’конца располагается участок, комплементарный рРНК малой субча­ стицы рибосомы и специфически узнаваемый ею. Малая субчастица соединяется с иРНК таким образом, что стартовый кодон АУГ рас­ полагается в области П-участка. После описанного события проис­ ходит объединение большой и малой субчастиц рибосомы и форми­ рование ее пептидильного и аминоацильного участков. П-участок за­ нят аминоацил-тРНК, а в A-участке располагается следующий за стартовым кодон. Процессы инициации катализируются особыми бел­ ками (факторами инициации), подвижно связанными с малой субчас­ тицей рибосомы. После завершения фазы инициации факторы ини­ циации отделяются от рибосомы .

Элонгация или удлинение пептида представляет собой цикличес­ ки повторяющиеся события, при которых происходит специфическое узнавание аминоацил-тРНК очередного кодона, находящегося в Аучастке, и комплементарное взаимодействие между антикодоном и кодоном. При соединении тРНК антикодоном с кодоном иРНК транс­ портируемая ею аминокислота располагается в A-участке, поблизос­ ти от ранее включенной аминокислоты, находящейся в П-участке .

Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, в ре­ зультате чего предыдущая аминокислота теряет связь со своей тРНК и присоединяется к аминоацил-тРНК, находящейся в А-участке .

тРНК, расположенная в П-участке высвобождается и уходит в ци­ топлазму. Перемещение тРНК из A -участка в П-участок сопро­ вождается продвижением рибосомы по иРНК на шаг, равный одно­ му кодону. В дальнейшем следующий кодон приходит в контакт с A-участком, “опознается” соответствующей аминоацил-тРНК, ко­ торая разместит здесь свою аминокислоту. Последовательность та­ ких событий протекает до тех пор, пока в A-участок рибосомы не поступит кодон-терминатор .

Терминация, или завершение синтеза полипептида, связана с уз­ наванием одного из терминирующих кодонов. К последней амино­ кислоте пептидной цепи присоединяется вода и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК. Пептидная цепь теряет связь с рибосомой и последняя распадается на 2 субчастицы .

Клетка, как открытая биологическая система, обменивается веще­ ствами с окружающей средой. Из межклеточной жидкости вещества поступают в клетку через плазматическую мембрану пассивным или активным путями. Пассивный перенос осуществляется за счет кинетической энергии, тогда как для активного транспорта необходима затрата метаболической энергии. Плазматическая мембрана избира­ тельно замедляет и регулирует обмен веществами .

Пассивный транспорт может осуществляться путем диффузии через гидрофильную поверхность плазмалеммы, облегченной диффузии по градиенту электрохимического потенциала, сопряженного транспорта разных субстаратов в одном направлении, а также при пассивном поступлении через поры плазмалеммы макромолекул с диаметром менее 0,5 нм .

Диффузия (naT.diffusio - распространение, растекание) - проник­ новение молекулы одного вещества в другое при непосредственном соприкосновении или через мембрану. Газы, например, кислород, потребляемый клетками при дыхании, и образующаяся в процессе дыхания двуокись углерода, в растворе быстро диффундируют через мембраны, перемещаясь из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, т.е. по диффузионному градиенту .

Диффузия через мембрану происходит более медленно, т.к. липиды мембраны служат препятствием, ограничивающим скорость .

Согласно теории двух путей, или теории «липидного фильтра», вещества, растворимые в липидах, могут диффундировать через ли­ пидный слой, тогда как остальным веществам приходится использо­ вать крошечные “поры” в слое липидов. Скорость прохождения бо­ лее крупных частиц (диаметром более 0,005 мкм.) зависит не только от их молекулярной массы, но и пропорциональна их растворимости .

Диффузия воды через полупроницаемую мембрану, например, плаз­ матическую, называется осмосом. В ходе этого процесса происхо­ дит понижение концентрации свободной воды в клетке, что объясня­ ется осмотическим влиянием растворенных веществ и действием структурированных компонентов (макромолекулы, капилляры кле­ точной стенки и т.д.). Осмотическое поглощение воды ведет к увели­ чению объема клетки. Эритроциты в дистилированной воде разбуха­ ют до тех пор, пока не лопаются. Растительная клетка лишь немного увеличивается в размерах, и осмотическое поглощение воды ведет к созданию высокого гидростатического давления в вакуоли - тургорного давления, которое противодействует поглощению воды .

Облегченная диффузия - катализируемый перенос с переносчи­ ком по градиенту электрохимического потенциала. Плазматическая мембрана содержит транспортные белки, которые связывают суб­ страты и транспортируют их через мембрану. Таким образом, прохо­ дят через мембрану сахара, аминокислоты и другие вещества (рис .

3.14.а) .

Сопряженный транспорт —это особый случай катализируемо­ го переноса. Некоторые переносчики транспортируют два разных суб­ страта вместе или в одном направлении, или в противоположных .

А ктивны й транспорт - сопряженный с потреблением энергии перенос молекул или ионов через мембрану против градиента конРис. 3.14.

Транспорт веществ через плазматическую мембрану:

а - катализируемое п р охож ден ие через мембрану: 1 - связывание субстрата; 2 - и зм е­ нение конформации; 3 - о св обож ден и е субстрата; 4 - изменение конформации (су б ­ страт чёрный, транспортны е белки заштрихованы). Б - активный транспорт: 1 - свя­ зывание субстрата; 2 - связывание АТР; 3 - гидролиз АТР с образованием AD P; 4 осв обож ден и е субстрата; 5 - изм енение конформации. В - различные виды катализи­ руемого проникновения: Р - транспортны й белок; S - единственны й субстрат; S1 и S2

- д в а общ и х субстрата транспортного белка. Г -сл ев а - сопряжённы й активный транс­ порт (протонный н асос); справа - параллельный п еренос второго субстрата S2 (п о Э. Либберту, 1982) .

центрации. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться вопреки своему естественному стремлению диффундировать в про­ тивоположном направлении. Активный транспорт может осуществля­ ться с участием белков переносчиков, а также путем экзо- и эндоцитоза .

Транспорт с участием белков переносчиков. Транспортные АТФ-азы - высокомолекулярные транспортные белки, способные рас­ щеплять АТФ с высвобождением энергии. Этот процесс служит двигателем активного транспорта. Таким способом через мембрану переносятся протоны (протонный насос) или неорганические ионы (ионный насос) (рис. 3.14.6). Например: секреция НС1 в желудке мле­ копитающих, широко распространенный NaVK'-iiacoc, который пере­ качивает К+в клетку, aN a+- из нее. С помощью протонных и ионных а - эн до- и экзоцитоз; б - обычная форма фагоцитоза; в - экзоцитоз пузырька Гольд­ жи; г - две фазы экзоцитоза: 1 - плазматическая мембрана и пузырек еще не слились; 2

- слияние одного из липидных слоев, д - гетерофагия; е - аутофагия: 1 - эндоцитоз;

эндоцитозный пузырек; 3 - цистерны Гольджи; 4,5 - первичные и вторичные лизосомы; 6 - остаточны е тельца; 7 - поглощ ение частицы; области, где находятся л изосом ны е ф ерменты, заш трихованы (п о Э. Либберту, 1982) .

насосов создаются неравновесные состояния - электрохимические потенциалы. Они используются для осуществления параллельного (антипараллельного) транспорта и переносят различные субстраты про­ тив их концентрационных градиентов. Например, транспортировка в одном направлении Na+ и сахар в животных клетках, Н+ и сахар в рас­ тительных клетках (рис. 3.14.в, г) .

Эндоцитоз - это образование пузырьков путем впячивания плазмагической мембраны при поглощении твердых частиц (фагоцитоз) или растворенных веществ (пиноцитоз) (рис. 3.15). Возникающие при этом гладкие или окаймленные эндоцитозные пузырьки называют фагосомами или пиносомами. Путем эндоцитоза яйцеклетки поглоща­ ют желточные белки, лейкоциты поглощают чужеродные частицы и иммуноглобулины, почечные канальцы всасывают белки из первич­ ной мочи .

Экзоцит оз- процесс, противоположный эндоцитозу. Различные пузырьки из аппарата Гольджи, лизосом сливаются с плазматичес­ кой мембраной, освобождая свое содержимое наружу. При этом мем­ брана пузырька может либо встраиваться в плазматическую мемб­ рану, либо в форме пузырька возвращаться в цитоплазму. В настоящее время получены данные, подтверждающие участие лизосом в удале­ нии целых клеток и ее частей из организма, т.е. лизосомы выполняют процесс аутофагии клеток .

3.4. ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ Одной из основных биологических особенностей клетки как эле­ ментарной живой системы является ее способность к авторепродук­ ции. Репродукция клеток лежит в основе развития, роста, размноже­ ния и регенерации организма. Период существования клетки от мо­ мента ее образования путем деления материнской клетки до окончания собственного деления или смерти называют жизненным или кле­ точным циклом. Для клеток не делящихся клеточных популяций клеточный цикл составляет период от образования клетки в результате деления до ее смерти. Митотический цикл - совокуп­ ность процессов, происходящих в клетке от одного деления до окончания следующего и заканчивающихся образованием двух клеток новой генерации. В митотическом цикле клеток размножающейся кле­ точной популяции можно различать два больших периода: период между делениями - интерфазу, когда клетка растет, функционирует и подготавливается к делению, и деление клетки - митоз .

В интерфазе в клетке происходит ряд процессов: рост клетки, реп­ ликация ДНК, удвоение числа хроматид, образование белков мито­ тического аппарата деления, образование и накапливание энергии. Ин­ терфазу можно разделить на три периода .

1. Постмитотический или пресинтетический, период G,. В этот период клетки растут, накапливают энергию, синтезируют РНК, белки, ферменты необходимые для репликации ДНК, но синтез ДНК отсутствует. Пресинтетический период характеризуется тем, что ядро и клетки содержат 2п хромосом, каждая из которых образована одной, а не двумя хроматидами. Хромосомы деспирализованы. Если количество ДНК, содержащееся в 23 хроматидах ядра, обозначить С, то в Gj имеется 2С ДНК .

2. Синтетический, S-период. В клетках идет активный синтез ДНК, ее репликация. Также происходит синтез гистоновых и негисто­ новых белков. Каждая хромосома достраивает вторую хроматиду. В итоге концентрация ДНК в ядре достигает 4С, кариотип равен 2п, каж­ дая хромосома состоит из 2 хроматид .

3. Постсинтетический или премитотический, G2-nepuod. В клетке идет синтез белков митотического аппарата, накапливается энергия. Далее следует деление клетки. При этом нарушается константа ядерно-цитоплазматического отношения, что и служит толчком к митозу .

Совокупность процессов подготовки клетки к делению и само митотическое деление составляют митотический цикл клетки. Если дочерние клетки сразу же приступают к подготовке к следующему митозу, то их митотический цикл совпадает с жизненным циклом. В других случаях дочерние клетки подвергаются дифференцировке и выполняют различные функции. Их жизненный цикл заканчивается смертью клетки .

Различают два способа деления клеток - непрямое, или митоз (греч. mitos - нить), и прямое —амитоз (греч. а —отрицание + митоз) .

В митозе различают собственно митоз, мейоз, эндомитоз и политению. Амитоз делят по форме (равномерный, неравномерный, множе­ ственный, без цитотомии) и по виду (генеративный, реактивный, де­ генеративный) .

Первое описание отдельных фаз митоза сделал И.Д. Чистяков в 1874 г., а подробное описание и введение терминологии принадлежит Э. Страсбургеру в растительных клетках (1876-1879) и в животных В. Флемингу (1882). Амитоз был описан в 1845 г. Р. Ремаком и деталь­ но изучен Л.Н. Жинкиным (1966) .

3.4.1. СОБСТВЕННО МИТОЗ Митоз - единственный вид полноценного деления клеток живот­ ных и растений, при котором все клетки проходят ряд последователь­ ных изменений, приводящих к образованию двух дочерних клеток с диплоидным набором хромосом и полным набором генов, необходи­ мых для развития всех видовых и индивидуальных наследственных свойств. В процессе митоза морфологи выделяют четыре фазы (профаза, метафаза, анафаза и телофаза), а цитогенетики, для более полной характеристики хромосом, добавляют еще и прометафазу (рис .

3.16) .

Рис. 3.16. Митоз в клетках корешка лука:

а - профаза; б - мегафаза; в - поздняя анафаза; г - ранняя анафаза и поздняя телофаза (по О. N ecasu et al., 1969) .

Профаза. В клетке, вступающей в деление, хромосомы приобре­ тают вид клубка из множества тонких, слабо спирализованных ни­ тей. В самом начале профазы центриоль делится на две, и они расхо­ дятся к противоположным полюсам клетки. Одновременно хромосо­ мы спирализуются, вследствие чего укорачиваются, утолщаются. В ядре имеется диплоидный набор хромосом (2п), каждая хромосома образована 2 хроматидами и концентрация ДНК равна 4С. Между центриолями формируется лучистая фигура. Исчезает ядрышко, обо­ лочка под действием лизосом растворяется. Веретено деления об­ разовано тонкими трубочками 2-х типов: полюсные (сплошные), свя­ зывающие обе центриоли, и хромосомные, крепящиеся к центроме­ рам .

Прометафаза. В центре клетки находится протоплазма с незна­ чительной вязкостью. Погруженные в нее хромосомы направляются к экватору клетки. Ядерная оболочка растворена (могут быть ее ос­ татки) .

Метафаза. Хромосомы располагаются попарно в области экватора. Хорошо видны все хромосомы, поэтому изучение и подсчет хромосом проводят в этой фазе. Каждая хромосома продольно рас­ щепляется на две хроматиды - дочерние хромосомы, соединенные в области центромеры. Характеристика ядра: 2п - 2 хроматиды - 4С ДНК .

Анафаза. Происходит расхождение хроматид, которые после это­ го становятся сестринскими или дочерними хромосомами. Нити ве­ ретена сокращаются, отходят к полюсам и за ними следуют дочер­ ние хромосомы. Бурные процессы идут в цитоплазме, которая при микрокиносъемке имеет вид кипящей жидкости. По завершении дви­ жения на полюсах клетки собираются два равноценных полных набо­ ра хромосом с характеристикой ядра: 2п - 1 хроматида - 2С ДНК .

Телофаза. Дочерние хромосомы деспирализуются. теряют ясные очертания, вокруг них формируются ядерные оболочки, восстанав­ ливается ядрышко, центриоли. Клеточный центр теряет активность .

Начинается цитотомия - деление цитоплазмы. Характеристика ядра:

2 n - 1 хроматида - 2С ДНК .

Продолжительность каждого из периодов митотического цикла и фаз митоза различна и длится от нескольких минут до сотен часов, что зависит от ряда причин: типа тканей, физиологического состоя­ ния организма, внешних факторов (t°, света, химических веществ) .

3.4.2. МЕЙОЗ Мейоз (греч. meiosos - уменьшение) - вид деления возник как особая форма митоза, обеспечивающая размножение организмов. В результате мейоза из соматических клеток с диплоидным набором хромосом (2п) возникают 4 половые клетки с гаплоидным набором (п). Мейоз состоит из двух последовательных делений: первое редукционное, уменьшающее число хромосом вдвое, второе эквационное (уравнительное), когда клетки сохраняют гаплоидный набор хромосом (рис. 3.17) .

Профаза мейоза I состоит из 5 стадий (лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез) .

Лепт отена- наиболее ранняя стадия профазы мейоза 1, в которой начинается спирализация хромосом. Характеризуется увеличением размера ядра, в нем хорошо виден диплоидный набор хромосом. Они тонкие, нитевидные, каждая состоит из двух хроматид. Поэтому ее называют стадией “тонких нитей". Длина каждой хромосомы может быть в 10-100 раз больше длины соответствующих митотических хромосом. В лептотене начинает выявляться процесс сближения гомологичных хромосом .

а - м ейоз 1 ( 1 - лептотена; 2 - зиготена; 3 - пахитена; 4 - диплотена; 5 - диакинез; 6 метафаза I; 7 - анафаза I; 8 - телофаза 1); б - мейоз II (9 - интерфаза; 10 - метафаза 11;

И - анафаза II; 12 - телоф аза II) (н о D.G. H am den, 1974) .

Зиготена - происходит конъюгация (лат. conjugatio - соединение) гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы хромомерами точно прикладываются друг к другу по всей длине, конъюгация совершается с удивительной точностью. Центромера одной гомоло­ гичной хромосомы прилегает к другой, как и хромомеры .

Пахитена - стадия “толстых нитей”, очень продолжительна .

Коньюгирующие хромосомы тесно прилегают друг к другу, образуя биваленты. Бивалент состоит из 4-х хроматид (тетрада). В эту стадию

Рис. 3.18. Схема кроссинговера:

а - пара гом ологичны х х р ом осом, гетерозиготны х по трём локусам ; б - стадия четы ­ рёх хроматид; в,г - к р оссин говер м еж д у двумя хром атидам и; д - четы ре типа комби­ наций составов р едуци р ованн ы х хр ом осом в гаметах, возникш их благодаря к россин говеру (п о К. Ш терну, 1965) .

начинается процесс кроссинговера (перекреста) хромосом, благодаря которому гомологичные хромосомы обмениваются своими отдель­ ными фрагментами (генами). Этот процесс приводит к обмену наследственной информацией и является одним из механизмов комбинативной изменчивости (рис. 3.18). В пахитене начинается активация транскрипционной активности хромосом. Именно в это время в женских половых клетках осуществляется амплификация рибосомных генов, что приводит к появлению дополнительных ядрышек. Одновременно хромосомы приобре-тают вид “ламповых щеток” .

Диплотена - стадия двойных нитей, характеризуется спирализацией хромосом и возникновением сил отталкивания. Хромосомы, составляю щ ие бивалент, начинаю т отходить друг от друга .

Расхождение начинается в области центромер. При расхождении плеч хромосом в некоторых местах четко выявляется картина креста (перекреста или хиазм), начавшегося в пахитене, но плохо заметного в предыдущей стадии. В диплотене происходит некоторое укорочение и конденсация хромосом, в результате чего отчетливо выявляется их четырехнитчатая структура. В зоне хиазм видно, что в перекрест вовлекаются только две хроматиды из четырех - по одной из каждого гомолога. Активность транскрипции в диплотене часто совпадает с ростом формирующихся половых клеток .

Диакинез сопровождается уменьшением числа хиазм, наблю­ дается дальнейшая спирализация хромосом, которые становятся короткими, толстыми, оболочка ядра разрушается, а хромосомы теряют связь с ней. В профазе I не происходит окончательного разру­ шения бивалентов .

Метафаза I - гомологичные хромосомы располагаются попар­ но в экваториальной плоскости. Нити, связанные с центромерами гомологичных хромосом устанавливают биваленты в плоскости экватора веретена деления .

Анафаза I - характеризуется расхождением гомологичных хромосом, а не хроматид, к полюсам клетки .

Телофаза I —формируется две клетки, ядра которых содержат гаплоидный набор хромосом. Каждая хромосома образована двумя хроматидами, концентрация ДНК равна 2С .

Между мейозом I и мейозом II находится короткий временной промежуток (интеркинез), в течение которого происходит только деспирализация хромосом .

Мейоз II протекает как обычный митоз с той лишь разницей, что в метафазе II по экватору располагается гаплоидный набор хромосом .

В анафазе II к противоположным полюсам расходятся хроматиды. В телофазе II формируются дочерние клетки, ядра которых содержат гаплоидный набор хромосом, каждая хромосома представлена 1 хроматидой и концентрация ДНК равняется I С .

Судьба возникших гамет может быть двоякой: или они идут на образование зиготы, или погибают. Формирование клеток с гапло­ идным набором однонитчатых хромосом достигается благодаря однократной репликации ДНК для двух последовательных делений мейоза, а так же благодаря образованию в начале мейоза I пар гомологичных хромосом и дальнейшего их расхождения в дочерние клетки .

Особенностью мейоза в овогенезе является наличие особой стадии

- диктиотены, которой нет в сперматогенезе. На этой стадии у человека в эмбриогенезе хромосомы, приняв форму “ламповых щеток”, прекращают дальнейшие структурные изменения на многие годы. По достижении женщиной репродуктивного возраста под влиянием лютеинизирующего гормонатолько один овоцит ежемесячно возобновляет деление мейозом .

Редукционное деление обеспечивает генетическое разнообразие гамет, образуемых организмом, благодаря кроссинговеру и независи­ мому поведению бивалентов в мейозе I .

Кроссинговер обеспечивает перерекомбинацию отцовских и материнских аллелей в группах сцепления, который в каждом отдельном случае приводит к обмену равным по количеству гене­ тическим материалом. Этот процесс является эффективным меха­ низмом перерекомбинации генов. Случайное расположение бивалентов в плоскости экватора веретена деления и последующее их расхожде­ ние в анафазе I мейоза обеспечивает перерекомбинацию групп сцепления в гаплоидном наборе гамет .

Завершение мейоза для мужских и женских гоноцитов различ-ное .

При мейозе сперматогонии возникают четыре сперматоцита, которые затем дифференцируются в сперматозоиды .

При мейозе первое деление созревания завершается образованием ооцита II и первого направительного (редукционного) тельца. При делении ооцита II образуется зрелая яйцеклетка и второе редукционное тельце, а первое в это время делится на два .

3.4.3. ЭНДОМИТОЗ И ПОЛИТЕНИЯ Эндомитоз (греч. endon - внутри) - один из видов митоза, суть которого заключается в том, что после репликации хромосом деле­ ния клетки не происходит. Вследствие этого в клетке происходит уве­ личение числа хромосом иногда в десятки раз по сравнению с исход­ ным. Эндомитоз встречается в интенсивно функционирующих клет­ ках различных тканей: в тканях нематод, насекомых, ракообразных, в корешках некоторых растений. Допускают, что эндомитоз возник в процессе эволюции как один из вариантов митоза .

Политения (греч. poly - много и лат. taenia - лента) - воспроиз­ ведение в хромосомах тонких структур (хромонем), количество ко­ торых увеличивается многократно (до 1000 и более раз), без увели­ чения числа хромосом. Хромосомы приобретают гигантские размеры, поскольку увеличивается количество ДНК. Политения впервые опи­ сана Э. Бальбиани в 1881 г. При полигении выпадают все фазы ми­ тотического цикла, кроме репродукции хромонем. Благодаря нерав­ номерной спирализации в политенных хромосомах образуются тем­ ные поперечные полосы (диски), выявляемые при окраске хромосом (рис. 3.19). Политения встречается у двукрылых насекомых, инфузо­ рий, некоторых растений. В клетках слюнных желез дрозофилы за счет политенизации хромосом плоидность ядер достигает 1024. Политению используют для построения карт хромосом, обнаружения хромосомных перестроек .

Рис. 3.19. Политенные хромосомы в ядрах клеток слюнной железы дрозо­ филы: а - хромосомы в ядре; б - резко увеличенные хромосомы, видно ядрышко (Ja) (по О. N ecasu et al., 1969) .

3.4.4. АМИТОЗ Амитоз - прямое деление клетки, которое представляет собой де­ ление ядра без спирализации хромосом и без образования митоти­ ческого аппарата. Прямое деление характеризуется первоначально перешнуровкой ядрышка, затем ядра и цитоплазмы (рис. 3.20). Ядро может делиться на две равномерные части (равномерный амитоз) или две неравномерные части (неравномерный), либо ядро делится на несколько частей (фрагментация, шизогония у плазмодия). Иногда после деления ядра цитоплазма не делится, и возникают многоядер­ ные клетки (амитоз без цитотомии) .

В зависимости от факторов, обусловивших амитоз, выделяют три его вида: генеративный, реактивный и дегенеративный .

Генеративный амитоз отмечается при делении высокоспециа­ лизированных полиплоидных клеток. Наблюдается у инфузорий при делении макронуклеуса, в некоторых клетках млекопитающих (пече­ ни, эпидермиса) .

Реактивный амитоз выявляется при различных повреждающих воздействиях (ионизирующее облучение), нарушении обменных про­ цессов (голодание, нарушение нуклеинового обмена, денервация тка­ ни). Этот вид амитоза обычно не завершается цитотомией и привостадии дел ени я синовиальной клетки мыши (п о Г1.Б. Гофману-Кадош никову, 1966) .

дит к образованию многоядерных клеток. Вероятно, его следует рас­ сматривать как компенсаторную реакцию, приводящую к увеличе­ нию поверхности обмена между ядром и цитоплазмой .

Дегенеративный амитоз возникает в стареющих клетках с уга­ сающими жизненными свойствами. Этот вид представлен фрагмен­ тацией и почкованием ядер. Он не имеет отношения к репродукции клеток. Появление дегенеративных форм митоза служит одним из признаков некробиотических процессов .

3.4.5. ПРОЛИФЕРАЦИЯ КЛЕТОК Пролиферация (лат. proles - потомство, fero - несу) - увеличение числа клеток путем митоза, приводящее к росту ткани. Интенсивность пролиферации регулируется стимуляторами и ингибиторами вырабатываемыми как вдали от регенерирующих клеток (гормонами), так и внутри их .

В последнее время принято разделять клетки тканей животных по способности к пролиферации на три основные группы: лабильные, стабильные и статические .

К лабильным относят такие клетки, которые быстро и легко об­ новляются в процессе жизнедеятельности организма (клетки крови, эпителия слизистой ЖКТ, эпидермиса и др.) .

К стабильным клеткам относят клетки таких органов, как печень, поджелудочная железа, слюнные железы и др., которые обнаружива­ ют ограниченную способность к размножению. Последняя проявляет­ ся обычно при повреждении данного органа .

К статическим клеткам относят клетки миокарда и нервной тка­ ни, которые, как считает большинство исследователей, не делятся или делятся при чрезвычайных условиях .

Процесс заживления ран связан с делением клеток. Значение про­ лиферации в медицине определяется способностью клеток разных тка­ ней к делению. Ни одна рана не может зажить без деления клеток. И врач, приступая к операции, должен учитывать способность клеток тканей к размножению (пролиферации) .

3.4.6. МЕХАНИЗМЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК Познать механизмы деления клетки удалось только в последние годы XX столетия, благодаря работам Л. Хартвелла, Т. Ханта и П .

Норса, за которые авторы были удостоены Нобелевской премии в 2001 г .

Впервые были идентифицированы ключевые молекулы, регулиру­ ющие клеточный цикл у эукариот. Был открыт специфический класс генов, контролирующих сам клеточный цикл, среди которых идентифицирован ключевой регулятор клеточного цикла - циклин зависимая киназа (cyclin dependent kinase - CDK). Механизм действия этого гена сводится к химическому фосфорилированию других протеинов, с помощью которых он проводит клетки через весь присущий им цикл .

Одновременно были открыты специальные циклиновые белки, которые регулируют функцию циклин - зависимой киназы. Эти циклины периодически подавляются при каждом клеточном делении, что чрезвычайно важно для осуществления контроля над клеточным циклом. Среди генов, ответственных за процесс деления, был выделен ген CDK 28, который контролирует первый шаг в процессе прохожде­ ния G1 - фазы клеточного цикла. Этот ген был назван “стартовым” .

Ключевую роль в контроле клеточного цикла играет особый ген cdc 2. Он соответствует "стартовому" гену, контролирующему переход от стадии G1 к стадии S. Ген cdc 2 регулирует различные фазы клеточного цикла. У человека он был назван CDK 1 (циклин зависимая киназа 1), который кодирует протеин, относящийся к группе так называемых циклин-зависимых киназ. Их активация находится в прямой связи с процессом обратного фосфорилирования, суть которого состоит в том, что фосфатные группы присоединяются к протеину или отщепляются от него. У человека было обнаружено около шести различных CDK-молекул .

Белки-циклнны - обычные протеины, которые образуются и разрушаются на протяжении каждого клеточного цикла. Они названы так, потому что уровень этих протеинов в ходе клеточного цикла колеблется с определенной периодичностью. Белки-циклины связываются с CDK-молекулами, регулируя таким образом CDKактивность и отбирая протеины для их последующего фосфорили­ рования. На протяжении всего клеточного цикла количество CDKмолекул не меняется, однако благодаря регуляторной функции циклинов активность CDK-молекул претерпевает определенные изменения .

Открытия механизмов деления клеток важны для понимания развития хромосомной неустойчивости в раковых клетках, т.е. каким образом участки хромосом перестраиваются, теряются или неравно­ мерно распределяются между дочерними клетками. Подобные изменения структуры хромосом являются результатом нарушения контроля клеточного цикла. Гены, кодирующие CDK-молекулы и циклины могут работать как онкогены. В ходе клеточного цикла CDKмолекулы и циклины действуют совместно с продуктами генов опухолевых супрессоров. Повышение уровня CDK- молекул и циклинов обнаруживается у человека при опухолях мозга, молочной железы .

Клинические исследования могут существенно продвинуться, благодаря использованию ингибиторов CDK-молекул. Эти исследова­ ния будут определять принципы разработки терапевтических методов лечения онкологических заболеваний .

3.5. КЛЕТОЧНАЯ ГИБЕЛЬ Гибель (смерть) отдельных клеток или целых их групп постоянно встречается у многоклеточных организмов, причиной которой могут быть различными. Их делят на две категории: некроз (греч. nekrosis

- омертвление) и апоптоз (от греч. корней означающих "отпадение" или "распадение"), который часто называют программируемой клеточной смертью .

3.5.1. НЕКРОЗ Некроз —вид клеточной смерти, который связывают с нарушением внутриклеточного гомеостаза в результате нарушения проницаемости клеточных мембран, приводящих к изменению концентрации ионов в клетке, необратимых изменений в митохондриях и к прекращению всех жизненных функций, включая синтез макромолекул. Некроз вызывает повреждение плазматической мембраны, подавление активности мембранных насосов под действием многих ядов, необратимые изменения энергетики при недостатке кислорода или отравлении митохондриальных ферментов. Клетка набухает за счет ее обводнения, в цитоплазме происходит увеличение концентрации ионов Na+ и Са2+ закисление цитоплазмы, набухание вакуолярных, компонентов и разрыв их мембран, прекращение синтеза белков в цитоплазме, освобождение лизосомных гидролаз и лизис клетки. Ядра клеток вначале компактизируются (пикноз ядер), но по мере набухания ядра и разрыва его оболочки пограничный слой распадается на мелкие массы (кариорексис), затем наступает кариолизис - растворение ядра .

Гибели подвергаются большие группы клеток, а участки некроза подвергаются атаке лейкоцитов. В зоне некроза развивается воспа­ лительная реакция .

3.5.2. АПОПТОЗ В процессе развития организмов и их функционирования во взрослом состоянии часть клеток постоянно гибнет без их физического или химического повреждения, происходит как бы их “беспричинная” гибель, которая наблюдается на всех стадиях онтогенеза .

Во взрослом организме также постоянно происходит “спонтанная” гибель клеток. Погибают клетки крови, эпидермиса кожи, клетки тонкого кишечника, фолликулярные клетки яичника после овуляции .

Клеточная смерть регулируется межклеточными взаимодей­ ствиями различным образом. Клетки многоклеточного организма нуждаются в сигналах, что бы оставаться живыми. При их отсутствии развивается программа “самоубийства” или программированной смерти. В то же время клетки могут получать сигналы, которые в клетках-мишенях запускают процессы, приводящие к гибели по типу апоптоза. Термин “апоптоз” был введен при изучении гибели части клеток печени при неполной перевязке портальной вены .

Процесс начинается с того, что соседние клетки теряют контакты, в ядрах происходит специфическая конденсация хроматина. Морфоло­ гические признаки апоптоза состоят в уменьшении размеров, сморщивании клетки, уплотнении и фрагментации хроматина, обычно прилежащего к ядерной оболочке. Эти изменения служат самым ранним проявлением апоптоза, предш ествую щ им процессам деградации. Затем в ядерной мембране образуются инвагинации и хроматиновые фрагменты отшнуровываются от ядра. Ядро фраг­ ментируется на отдельные части, затем фрагментируется сама клетка на отдельные тельца, отграниченные плазматической мембраной апоптотические тельца. Апоптоз - процесс, приводящий не к растворе­ нию клетки (лизису), а к ее фрагментации, распаду. Апоптотические тельца фагоцитируются макрофагами или даже соседними нормаль­ ными клетками. При этом не развивается воспалительная реакция .

Процесс гибели сходен как во время эмбрионального развития, во взрослом состоянии, так и при патологических процессах. Апоптоз может быть вызван целым рядом внешних факторов (радиация, действие некоторых токсических ферментов, ингибиторов клеточного метаболизма, воздействию метаболитов паразитов). Необратимые повреждения ДНК вызывают апоптоз .

Биологическая роль апоптоза очень велика. Это удаление отрабо­ тавших или ненужных на данном этапе развития клеток, удаление измененных или патологических клеток, особенно мутантных или зараженных вирусами .

Апоптоз представляет собой генетически программированную гибель клеток, которой управляют особые гены. Как и во всякой биологической системе, такая регуляция осуществляется по антагони­ стическому принципу: стимулирует апоптоз ген р53, ингибирует - ген bcl 2. Белок, контролируемый геном р53, обладает способностью блокировать клеточное деление и запускать механизм апоптоза. Такой механизм встречается в опухолевых клетках у 55-70% раковых больных .

Избирательная гибель клеток не менее важна для морфогенеза, чем другие клеточные процессы. Установлено, что гибель клеток имеет три уровня регуляции: генетический контроль, межклеточные взаимодействия и организменный уровень .

О НТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРО ВЕНЬ

ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

–  –  –

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМ РАЗМНОЖЕНИЯ

Способность к самовоспроизведению - одна из основных особен­ ностей живых систем. На молекулярном уровне процесс репродук­ ции определяется способностью нуклеиновых кислот к самоудвоению. На онтогенетическом уровне самовоспроизведение осуществ­ ляется в разнообразных формах: от простого деления одноклеточ­ ных организмов до полового размножения растений и животных, ко­ торое является чрезвычайно сложным процессом в структурном и функциональном отношениях .

Размножение (репродукция) - способность организмов про­ изводить себе подобных, свойст во организм ов производить потомство. Существование особи поддерживается размножением клеток, а существование вида поддерживается размножением особей .

Размножение - необходимое условие сущ ествования вида и преемственности последовательных генераций внутри вида .

Биологическая роль размножения состоит в том, что оно обеспечивает смену поколений. Различия, проявляющиеся у особей разного поколения, делают возможным естественный отбор и эволюцию форм жизни на Земле. Способность к размножению - неотъемлемое свойство живого. С его помощью сохраняются во времени биологиРАЗМНОЖЕНИЕ

–  –  –

ческие виды и жизнь как таковая. В процессе размножения решаются задачи увеличения числа особей, складывающихся типов структурнофизиологической организации. Последнее обусловлено тем, что при размножении осуществляется передача в ряду поколений генети­ ческого материала (ДНК), т.е. определенной, специфической биологической информации для данного вида. Хотя способы размноже­ ния в растительном и животном мире очень разнообразны, их можно свести к двум основным типам: бесполому и половому (табл. 4.1) .

4.2. БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ Бесполое размнож ение - вид размножения, в котором уча­ ствует только одна родительская особь. В результате ее деления или почкования образуется одна или несколько новых особей, геноти­ пически идентичных исходной родительской особи. При бесполом раз­ множении обычно не образуются какие-либо специальные клетки и новому организму дают начало соматические клетки .

Бесполое размножение встречается: у одноклеточных (амебы, жгу­ тиковые, инфузории); у бактерий, цианобактерий и некоторых зеле­ ных водорослей в виде простого деления пополам; у плазмодиев шизогонии, почкования - у дрожжевых грибов, сосущих инфузорий .

Внутреннее почкование или эндогония наблюдается у токсоплазмы .

У многоклеточных животных бесполое размножение представлено почкованием у губок, гидры (почка из экто- и энтодермы), фрагмента­ цией (перешнуровка тела на ряд частей) у ресничных (планария) и коль­ чатых червей .

У многоклеточных растений для размножения служат вегетатив­ ные органы: корень (вишня, слива, шиповник), стебель (смородина, крыжовник, ива), лист (бегония, фиалки, гиацинт) и их видоизменения

- клубни (картофель, георгины), луковицы (тюльпаны, лук, чеснок), корневища (пырей, осот) и др .

Полиэмбриония - случай бесполого размнож ения у организ­ м ов размнож аю щ ихся половым способом на ранних ст адиях эмбрионального развития. У животных полиэмбрионию описал И.И .

Мечников, который наблюдал расщепление бластул у медузы и развитие из каждого агрегата клеток целого организма. Этот способ размножения наблюдается и у человека. С ним связывают развитие однояйцевых однополых близнецов (рис. 4.1) .

Спорообразование - разновидност ь вегетативного разм но­ жения, для которого характерно развитие специальных клеток .

Спора (греч. spora - посев, семя) - одна из стадий жизненного цикла, служащая для размножения. Она состоит из клетки, возникающей путем митоза или мейоза. Спора покрыта оболочкой, защищающей ее от неблагоприятных условий внешней среды. Спорообразование

Р и с.4.1. О д н о я й ц е в ы е б л и зн е ц ы ( п о S. S in n o tt e t а !.1 9 5 8 ) .

наблюдается: у одноклеточных (споровики), водорослей (улотрикс), грибов, мхов, папоротников, хвощей. Спорообразование как способ размножения наблюдается у высших растений. У бактерий, хотя и образуются споры, но они служат для выживания в неблагоприятных условиях, а не для размножения .

Бесполое размножение характерно для животных с относительно низким уровнем структурно-физиологической организации, к которым принадлежат многие паразиты человека. У паразитов бесполое размножение способствует не только увеличению численности особей, но и захвату новых ареалов, помогает пережить неблагоприятные условия .

4.3. ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ Половое размнож ение - возникновение и развит ие потом­ ства из оплодотворенной яйцеклетки - зиготы (греч. zygota —спа­ ренная), т.е. слившихся женской и мужской половых клеток. При половом размножении преем ственность между поколениями осуществляется только через половые клетки — гаметы (греч. gamos — брак) с гаплоидным набором хромосом, возникающие благодаря мейозу (яйцеклетка и сперматозоид) .

В ходе исторического развития живой природы, половое размно­ жение стало доминирующим в растительном и животном мире, т.к .

по сравнению с бесполым оно имеет ряд существенных преимуществ:

1. Достигается более высокий коэффициент размножения, т.е. воз­ никает большее количество зачатков новых особей .

2. Происходит полное обновление генома организма в связи с объе­ динением материнской и отцовской генетической информации. Этот факт является постоянным источником наследственной изменчивос­ ти, имеющей особое значение для эволюционной пластичности ви­ дов, а также расширяет адаптивные возможности последних к абио­ тическим и биотическим условиям и гарантирует успех в борьбе за существование .

В основе полового размножения лежит половой процесс, суть ко­ торого сводится к объединению в наследственном материале для развития потомка генетической информации его родителей .

Половое размножение у многоклеточных, в том числе и у челове­ ка, характеризуется тремя внешними морфологическими особеннос­ тями .

1. Источником образования новых организмов служат специаль­ ные клетки родительского организма - половые клетки (гаметы) .

Рис. 4.2. Электронная микрофотография конъюгации между бактериями (по Н.П. Дубинину, 1976) .

2. Имеется два рода половых клеток —мужские и женские, кото­ рые чаще всего вырабатываются разными особями (кроме случаев истинного гермафродитизма). Половые клетки отличаются друг от друга по своим морфологическим и физиологическим свойствам, т.е .

обладают половой дифференцировкой .

3. Для образования нового организма необходимо слияние по мень­ шей мере двух половых клеток - мужской и женской .

В процессе эволюции эукариот сформировались две основных формы полового размножения - копуляция, нерегулярные типы полового размножения, а также одна форма полового процесса конъюгация .

Конъюгация (лат. conucatio - соединение) - форма полового процесса, обеспечивающего повышение наследственной измен­ чивости, при которой не образуются специальные половые клет­ ки. Характерна для прокариот (энтеробактерии, псевдомонады и др.), простейших (инфузории), водорослей (диатомовые, улотрикс), грибов (рис. 4.2). В процессе конъюгации две особи временно соединяются с целью обмена наследственным материалом, в результате чего по­ являются особи, генетически отличные от родительских организмов .

В дальнейшем они осуществляют бесполое размножение .

Копуляция (лат. copulatio) - процесс слияния двух половых кле­ ток (или особей) внешне почти не различающихся (изогамия) или различающихся (анизогамия). Изогамия характерна для одноклеточ­ ных водорослей, низших грибов, корненожек радиолярий, жгутиковых (политома), анизогамия - для хламидомонады, плазмодиев. Если разРис. 4.3.

Виды полового размножения:

а - нормальное оплодотворение; б - партеногенез; в - гиногенез; г - андрогенез (по М.Е. Левашову, 1967) .

линия в гаметах резко выражены (оогамия), то говорят об оплодот­ ворении (рис. 4.3.а). Оогамная копуляция характерна для высших по­ звоночных и человека .

Образование гамет обоих видов в одном организме, имеющем мужскую и женскую половые железы называют гермафродитизмом (греч. Hermaphroditos - сын Гермеса и Афродиты, мифич. - обоеполое существо). Гермафродитизм широко распространен в природе, может быть и у человека, который обычно обусловлен генетически. Он может быть истинным, когда у одной и той же особи имеются одновременно мужские и женские половые железы, или ложным (псевдогермафро­ дитизм), когда у особи имеются половые железы одного пола, а наружные половые органы и вторичные половые признаки соответст­ вуют другому полу .

Нерегулярные типы полового размножения представлены парте­ ногенезом, гиногенезом и андрогенезом .

Партеногенез (грен, parthenos - девственница) - процесс р а з­ вития зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки (рис. 4.3.6) .

Естественный партеногенез впервые был описан Ш. Боне в XVIII веке. Он характерен для низших ракообразных, коловраток, перепон­ чатокрылых (пчелы, осы), отмечается также у птиц (индейка). Парте­ ногенез можно стимулировать искусственно, вызывая активацию неоплодотворенных яиц путем воздействия различными факторами. Ис­ кусственный партеногенез был описан в 1886 г. А.А Тихомировым .

Различают партеногенез соматический (диплоидный) и генератив­ ный (гаплоидный). При соматическом партеногенезе яйцеклетка не претерпевает редукционного деления, а если и претерпевает, то два гаплоидных ядра, сливаясь вместе, восстанавливают диплоидный на­ бор хромосом. При генеративном партеногенезе зародыш развива­ ется из гаплоидной клетки (трутни медоносной пчелы). Партеноге­ нез у растений называют апомиксис .

Гиногенез (греч. —gyne - женщина) - вид полового разм но­ жения, при котором сперматозоиды участвуют как стимулято­ ры развития яйцеклет ки (псевдогамия), но оплодотворения не происходит (рис. 4.3.в). Развитие зародыша идет за счет женского ядра. Гиногенез обнаружен у некоторых видов нематод, костистых рыб, земноводных и многих покрытосеменных растений .

Андрогенез (греч. andros — мужчина) - вид размножения, при котором развитие яйца осуществляется только за счет муж с­ ких ядер и материнской цитоплазмы (рис. 4.3.г). Андрогенез мо­ жет иметь место в тех случаях, когда ядро яйцеклетки гибнет до момента оплодотворения. Если в яйцеклетку попадает один сперма­ тозоид, то развивающийся зародыш с гаплоидным набором хромо­ сом оказывается маложизнеспособным. Жизнеспособность андро­ генных зигот нормализуется, если восстанавливается диплоидный набор хромосом. При полиспермии возможно слияние двух мужских пронуклеусов. А ндрогенез отмечен у тутового ш елкопряда, паразитической осы, у табака, кукурузы .

Явления андрогенеза и гиногенеза используют при изучении на­ следственности, исследовании ядерно-цитоплазматического взаимо­ действия, для получения строго гомозиготных организмов, а также животных одного пола. Принцип андрогенеза используется у человека для устранения вероятности рождения ребенка с цитоплазма­ тическими наследственными заболеваниями (объединение материн­ ского ядра яйцеклетки и донорской цитоплазмы) .

4.3.1. ГАМЕТОГЕНЕЗ. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ГАМЕТ Г ам ет огенез — процесс образования половы х клеток. У животных половые клетки, как и соматические, происходят из эмб­ риональных. Обособляющиеся в эмбриогенезе зачатковые клетки пу­ тем ряда повторных делений дают гениальные клетки - гонии. Вна­ чале они сходны у обоих полов, но затем дифференцируются у сам­ цов — в сперматогонии, а у самок —в оогонии. В сперматогенезе выделяют четыре периода- размножения, роста, созревания и формиро­ вания. В оогенезе выделяют три периода —размножения, роста и со­ зревания (рис. 4.4) .

Сперматогенез. В течение первого периода (период размножения) клетки полового зачатка представлены сперматогониями. Это мелкие округлые клетки с очень незначительным количеством цитоплазмы, энергично размножающиеся митозом. Сперматогонии в семеннике Рис. 4.4. Образование сперматозоидов (а) и яйцеклетки (б) у человека (по Н.П. Дубинину, 1976) .

млекопитающих и человека размножаются в течение почти всей жизни организма, до старости. С наступлением половой зрелости и даже раньше часть сперматогониев прекращает размножаться и вступает на путь превращения в сперматозоиды. По мере накопления сперма­ тогониев все новые их генерации вступают на путь превращения в половые клетки. Период роста - второй период сперматогенеза - ха­ рактеризуется прекращением размножения сперматогониев и превра­ щением их в сперматоциты I порядка. Они растут, увеличиваясь в размере в 4 и более раза. Лежат в стенке канальца ближе к его про­ свету. Период созревания заключается в двух быстро следующих друг за другом делениях (мейоз I и мейоз II) сперматоцитов I поряд­ ка, в результате чего сначала образуются сперматоциты II порядка, а затем сперматиды. По объему сперматоциты II порядка вдвое, а сперматиды вчетверо мельче по объему сперматоцитов I порядка и расположены еще ближе к просвету семенного канальца. В течение периода формирования сперматиды превращаются в сперматозоиды .

Из каждого сперматогония образуется 4 сперматозоида .

Оогенез. Период размножения при оогенезе проходит у млекопи­ тающих и человека в течение эмбрионального развития женского организма. К концу внутриутриутробного развития зародыша оогонии прекращают размножаться и становятся ооцитами I порядка, кото­ рые вырастают незначительно и сохраняются в яичнике до половой зрелости организма. С наступлением половой зрелости отдельные ооциты вступают в период роста. При этом выделяют период «мало­ го роста», когда происходит увеличение размеров ядра и цитоплаз­ мы, и период «большого роста», в течение которого в цитоплазме накапливаются желточные включения (белки, жиры, жироподобные вещества). Желтка много в яйцах амфибий, рептилий, птиц и очень мало в яйцах ланцетника, плацентарных млекопитающих и человека .

Ядро превращается в крупный, чаще всего неокрашиваемый ядерными красителями, «зародышевый пузырек». Центросома у многих животных исчезает. В периоде созревания происходят два последо­ вательных резко неравномерных деления. Ооцит I порядка делится на крупную клетку - ооцит II порядка и мелкую - первое редукцион­ ное тельце. Ооцит II порядка отделяет от себя второе редукционное тельце, а сам становится зрелой яйцеклеткой. Первое редукционное тельце может митотически поделиться на два. Неравномерность де­ лений созревания при оогенезе объясняется биологической целесо­ образностью максимального снабжения цитоплазмой и желтком яй­ цеклетки .

Таким образом, основные отличия оогенеза от сперматогенеза сво­ дятся к следующему: период размножения оогониев в отличие от сперматогониев заканчивается к моменту рождения; период роста при оогенезе длиннее, чем при сперматогенезе и имеет подразделение на период «малого» и «большого» роста; ооцит вырастает значитель­ но больше, чем сперматоцит и накапливает желточные включения;

из ооцита I порядка в противоположность сперматоциту I порядка получается не 4, а лишь I полноценная половая клетка; в оогенезе практически отсутствует период формирования .

Гаметогенез характеризуется высокой производительностью. За время половой жизни мужчина продуцирует не менее 500 млрд, сперматозоидов. К пятому месяцу жизни в зачатке яичников насчитывается 6-7 клеток-предшественников яйцеклеток. К началу репродуктивного периода в яичниках имеется до 100 000 овоцитов .

Однако от момента полового созревания до прекращения гаметогенеза в яичниках созревает не более 400-500 овоцитов .

Яйцеклетки - овальные, крупные, малоподвижные или совсем неподвижные клетки, которые в сотни и даже в миллионы раз круп­ нее сперматозоидов. У большинства животных яйцеклетка лишена центросомы и не способна в обычных условиях к самостоятельному делению. В большинстве яйцеклеток содержится желток (питатель­ ные вещества для развития зародыша) .

По содержанию желтка яйцеклетки делятся на два основных типа:

изолециталъные (первично- и вторичнолецитальные) и полилецитальные (центролецитальные и телолецитальные с умеренным и чрезмерным содержанием желтка) (рис. 4.5). При малом количестве желтка в яйцеклетке он распределен в цитоплазме равномерно, и ядро находится примерно в центре. Такие яйцеклетки называют алецитальными (яйцеклетки млекопитающих, плоских червей). Поскольку яйцеклетки млекопитающих все же содержат небольшое количество равномерно расположенного желтка, их можно назвать и изолецитальными. К ним относятся также яйца многих моллюсков, иглокожих, ланцетника. В телолецитальных яйцах желток неравномерно рас­ пределен в цитоплазме. В области анимального (лат. animal животное) полюса желтка мало или почти совсем нет. Большая часть его находится в вегетативном (лат. vegetus - живой) полушарии, где желточные зерна лежат более плотно. Примером телолецитальных яиц с умеренным содержанием желтка являются яйца амфибий, а яйца пресмыкающихся, птиц относят к чрезмерно богатым желтком .

Центролецитальные яйца имеют большое количество равномерно расположенного желтка. Однако у поверхности яйца имеется тонкий слой цитоплазмы, почти лишенный желтка. Расположенное ближе к

Рис. 4.5. Типы яйцеклеток:

а - алецитальное яйцо; б - гололецитальное (изолецитальное); в - телолецитальное; г центролецитальное (по Б.Н. Токину, 1966) .

центру яйца ядро также окружено слоем относительно чистой цитоп­ лазмы. Эти яйца характерны для членистоногих .

Распределение желтка играет роль для всех последующих про­ цессов эмбриогенеза, поскольку определяет будущую пространствен­ ную организацию зародыша. Оно является скорее внешним проявле­ нием более тонких процессов поляризации яйцеклеток, происходящих в кортикальном слое и прилежащих к нему цитоскелетных структу­ рах. Кортикальный слой - это поверхностный слой цитоплазмы яйца вместе с плазматической мембраной, в котором находятся микрофиламенты и кортикальные гранулы. Он играет важную роль в корти­ кальной реакции при оплодотворении .

Яйцеклетка защищена оболочками (рис. 4.6.а). Различают первич­ ную оболочку, которая образуется самой яйцеклеткой; вторичную обо­ лочку, являющуюся продуктом деятельности фолликулярных клеток и третичные оболочки, которыми яйцо окружается во время прохож­ дения по яйцеводу .

Первичная оболочка имеется у яйцеклеток всех животных. Ее на­ зывают желточной. У человека и млекопитающих первичная обо­ лочка входит в состав плотной оболочки, образуя ее внутреннюю часть. Внешняя часть плотной оболочки продуцируется фолликуляр­ ными клетками и является вторичной оболочкой. Изнутри плотная

Рис. 4.6. Яйцеклетка (а) (х400) и сперматозоид (б) (х2000) человека:

1 - ядро; 2 - ядрышко; 3 - полярное тельце; 4 - corona radiata; 5 - головка; 6 - шейка; 7 хвост (по К. Вилли, В. Детье, 1971) .

оболочка пронизана микроворсинками яйца, а снаружи - микровор­ синками фолликулярных клеток. При большом увеличении она выглядит исчерченной и получила название лучистой оболочки (corona radiata) или блестящей оболочки (zona pellucida). Плотная оболочка совмещает в себе первичную и вторичную оболочки .

Третичные оболочки хорошо развиты у пресмыкающихся, птиц, яйцекладущих млекопитающих, а также у хрящевых рыб и амфибий .

Эти оболочки не имеют клеточного строения, они образуются за счет секретов желез яйцевода и защищают зародыш от механических по­ вреждений и действия вредных биотических факторов. У наземных позвоночных третичные оболочки участвуют в запасании воды и пи­ тательных веществ для нужд зародыша .

У яйцеклеток снижено значение ядерно-цитоплазматического от­ ношения благодаря увеличенному объему цитоплазмы, в которой раз­ мещен желток для развития зародыша. После оплодотворения в еще дробящемся яйце происходит перераспределение цитоплазмы (цитоп­ лазматическая сегрегация). Допускается, что на ранних стадиях спо­ собность бластомеров развиваться в определенном направлении за­ висит от наследования ими веществ, полученных за счет ооплазматической сегрегации и концентрирующихся в разных участках цитоп­ лазмы яйцеклетки .

Сперматозоиды - мелкие, подвижные клетки, максимально ли­ шены питательных веществ. Сперматозоид имеет головку, шейку и хвостовую нить (рис. 4.6.6). Головка представлена ядром, окружен­ ным лишь тонким слоем цитоплазмы. В последней обнаруживается акросома, которая образуется за счет пластинчатого комплекса спер­ матозоида. Она состоит из компактной массы и мембраны, лежащих над ядром. Акросоме отводится большая роль в обеспечении про­ никновения сперматозоида в яйцо при оплодотворении. В шейке спер­ матозоида располагаются две центриоли (проксимальная и дисталь­ ная). Дистальная центриоль участвует в образовании осевой нити хво­ ста, а проксимальная - веретена деления оплодотворенного яйца .

Хвост, или жгутик, служит органом движения сперматозоида. В ос­ нове его лежит осевая нить, окруженная небольшим количеством цитоплазмы и плазмалеммой. Энергию для движения жгутика гене­ рируют митохондрии. Они занимают почти всю среднюю часть спер­ матозоида и располагаются в виде компактных изолированных скоп­ лений, окружая дистальную центриоль и начало осевой нити хвоста .

Сперматозоид вносит при оплодотворении центросому в яйцеклетку .

Цитоплазма головки сперматозоида имеет жидкокристаллическое состояние, чем достигается устойчивость сперматозоидов к небла­ гоприятным факторам внешней среды. Из-за малого количества цитоплазмы ядерно-цитоплазматическое отношение у сперматозои­ да высокое, что соответствует главной функциональной задаче транспортировке наследственного материала к яйцеклетке. Акросомный аппарат обеспечивает проникновение ядра сперматозоида в ци­ топлазму яйцеклетки путем растворения ее оболочек, особыми фер­ ментами (гиалуронидаза, протеиназа) .

4.3.2. ОСЕМЕНЕНИЕ. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ Осеменение - ряд процессов, обусловливающих встречу спер­ матозоида и яйцеклетки. Различают наружное (у рыб, земновод­ ных) и внутреннее (у пресмыкающихся, птиц, млекопитающих) осеменение. При наружном осеменении сперматозоиды и яйцеклет­ ки выделяются в окружающую среду. При внутреннем осеменении, которое осуществляется посредством копулятивных органов и обус­ ловлено системой безусловных и условных рефлексов, сперматозои­ ды вводятся самцом непосредственно в половые пути самки, что га­ рантирует встречу гамет в относительно постоянных условиях .

Гаметы выделяют особые вещества - гамоны, которые обеспечи­ вают их взаимодействие на расстоянии. Яйцеклетка выделяет гиногамоны I и И, сперматозоид - андрогамоны 1 и II. Гиногамон I представляет собой низкомолекулярные небелковые соединения, ко­ торые стимулируют подвижность сперматозоидов и повышают вероятность его контакта с яйцом. Антагонистом гиногамона I является андрогамон I со сходной химической структурой, тормозя­ щий движение сперматозоидов и предохраняющий их от преждевре­ менной растраты энергии. Гиногамоны II (фертилизины), по химичес­ кой структуре являющиеся белками или гликопротеидами, вообще блокируют двигательную активность сперматозоидов и способству­ ют фиксации сперматозоида на оболочке яйцеклетки. Значительное количество спермиев, выделяющееся при внутреннем осеменении, необходимо для растворения оболочки яйца (андрогамон II, гиалуронидаза) .

Учеными В.П. Врасским и И.И. Ивановым были разработаны методы искусственного осеменения для рыб и сельскохозяйствен­ ных животных. Искусственное осеменение у человека было разре­ шено Минздравом СССР только в 1987 году .

Оплодотворение - слияние двух гамет, в результате чего обра­ зуется зигота. Процесс оплодотворения у животных складывается из трех последовательных фаз: сближение гамет; активация яйцек­ летки; слияние гамет (сингамия) .

Сближение сперматозоида с яйцеклеткой обеспечивается не­ специфическими факторами, повыш ающ ими вероятность их встречи. К ним относят наступление готовности к оплодотворе­ нию у самца и самки, избыточную продукцию сперматозоидов, крупные размеры яйцеклетки, выделение гаметами особых ве­ ществ - гамонов (гормонов гамет), способствующих их сближе­ нию .

В момент контакта сперматозоида с оболочкой яйцеклетки про­ исходит акросомная реакция, во время которой под действием проте­ олитических ферментов, локализированных в акросоме, яйцевые обо­ лочки растворяются, плазматические мембраны гамет сливаются и через образующийся вследствие этого цитоплазматический мостик цитоплазмы яйцеклетки и сперматозоида объединяются. Ядро и центриоль сперматозоида переходят в цитоплазму яйца, его мембрана встраивается в мембрану яйцеклетки .

Активация яйцеклетки происходит в результате контакта со спер­ матозоидом. Она проявляется в сложных структурных и физико-хи­ мических изменениях. Поскольку участок мембраны сперматозоида проницаем для ионов натрия, последние, поступая внутрь яйца, изме­ няют мембранный потенциал клетки. Затем происходит увеличение содержания ионов кальция и растворение кортикальных гранул. Вы­ деляющиеся при этом специфические ферменты способствуют от­ слойке желточной оболочки, которая вскоре затвердевает. Она назы­ вается оболочкой оплодотворения. Описанные процессы представ­ ляют собой так называемую кортикальную реакцию. У костистых рыб, земноводных изменения цитоплазмы сопровождаются морфо­ логическими перестройками, которые получили название расслоения, или сегрегации плазмы. Активация яйцеклетки завершается началом синтеза белка на трансляционном уровне за счет запасенных в оогенезе иРНК, тРНК, рибосом и энергии .

У многих беспозвоночных, млекопитающих яйцеклетка в момент встречи со сперматозоидом обычно находится в стадии диакинеза .

Блок мейоза снимается после активации яйцеклетки вследствие оп­ лодотворения. В момент завершения мейоза в яйцеклетке ядро спер­ матозоида принимает вид интерфазного, а затем профазного ядра .

Такое ядро с гаплоидным набором хромосом получает название мужской пронуклеус. Ядро яйцеклетки, закончившее мейоз, превра­ щается в женский пронуклеус. Оба пронуклеуса сближаются и сли­ ваются (синкарион). Это и есть момент окончательного слияния гамет (сингамия), заверш аю щ егося формированием зиготы, первое митотическое деление, которое приводит к образованию двух клеток зародыша - бластомеров .

4.3.3. ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛОВОГО ДИМОРФИЗМА И

РАЗДЕЛЬНОПОЛОСТИ

При переходе к многоклеточное™, впервые возникает ситуация, ког­ да один организм может производить гаметы двух половых типов одно­ временно, т.е. является гермафродитом. Маловероятно, что многокле­ точные организмы уже в момент своего появления были раздельнопо­ лыми. И действительно, среди растений, кишечнополостных, плоских, кольчатых червей, моллюсков много обоеполых организмов. Несмотря на продукцию гермафродитами и мужских, и женских гамет, самоопло­ дотворение для них нетипично. Это обусловлено обычно несовпадением времени созревания яйцеклеток и сперматозоидов. Истинный гермаф­ родитизм описан и у человека. Он развивается в результате нарушения эмбриогенеза при одинаковом наборе половых хромосом —XX и ХУ — во всех соматических клетках. У некоторых людей-гермафродитов об­ наружен мозаицизм по половым хромосомам в соматических клетках .

Одни из них имеют пару XX, другие - ХУ .

Я ичник Семенник Рис. 4.7. Схема дифференцировки гонад в онтогенезе (по М.Е. Лобашову, 1967, с изменениями) .

Двойственной по происхождению, или бисексуальной закладыва­ ется гонада у млекопитающих и человека. Внешний ее слой (cortex) не­ сет зачатки яичника, а внутренний (medulla) - семенника. Характер ди­ фференцировки определяется генотипом зиготы. Если генотип особи «XX», то преимущественно развивается cortex, и формируется яич­ ник. При генотипе «XY» разрастается medulla, и формируется семен­ ник. Эти факты послужили основанием М. Чартману для развития представлений о бисексуальности организмов (рис. 4.7) .

Формирование полового диморфизма и раздельнополости связано с возникновением эукариот. Этот процесс был связан с увеличением размеров гамет, появлением крупных и мелких гамет, возникновени­ ем анизогамии как вида копуляции и продукцией большого количе­ ства спермы. Следующим шагом в эволюции полового диморфизма была дифференцировка особей на продуцирующих преимущественно сперматозоиды (формирование самца) и на особей, продуцирующих преимущественно яйцеклетки (формирование самки) .

ГЛАВА V. РЕПРОДУКЦИЯ ЧЕЛОВЕКА

5.1. ОСОБЕННОСТИ ООГЕНЕЗА И СПЕРМАТОГЕНЕЗА У

ЧЕЛОВЕКА И ИХ ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ

Оогенезу человека. Специфические половые признаки у женского плода становятся заметными лишь при достижении плодом разме­ ров около 20 мм в длину. Первичные половые клетки, включающиеся в структуру закладок гонад, пролиферируют и дифференцируются в оогонии в яичниках у эмбрионов 2-месячного возраста. К концу 3-го месяца в глубине гонад женских эмбрионов обнаруживаются диффе­ ренцированные ооциты в стадии профазы мейоза I. Гистологическая дифференцировка яичников к 7 месяцам приобретает быстрые темпы, так что к 9-месячному возрасту плода в каждом из яичников формируется в среднем 200-400 тыс. ооцитов, по другим данным около 1 млн. (рис. 5.1). Ооциты окружены непрерывным монослоем

Рис. 5.1. Оогенез у плода женского пола человека:

а - интерфаза; б - метафаза; в - анафаза; г - лептотена; д - зигогена; е - пахитена; ж диплотена; з - диакинез; и - клетки, окружающ ие ооцит (по S. Ohno et al., 1962) .

фолликулярных клеток (гранулезная оболочка) и образуют так назы­ ваемые примордиальные фолликулы. К концу внутриутробного периода после профазы мейоза I ооцит I переходит в состояние диплотены, продолжающейся до наступления у женщин половой зрелости. Первое мейотическое деление ооцита I у человека соверша­ ется еще до раскрытия созревшего фолликула (граафова пузырька), которое обычно происходит с наступлением половой зрелости. Из-за чрезвычайно неравномерного разделения цитоплазмы и запасов желтка первичного ооцита освобождаются две неравномерные клетки - сравнительно крупный вторичный ооцит и мелкое рудимен­ тарное редукционное (полярное) тельце. Обе клетки попадают в брюшную полость и далее движениями бахромчатого конца маточ­ ной трубы направляются в ее канал, где в ускоренном темпе их ядра проходят второе мейотическое деление, протекающее по типу митоза .

Зрелая яйцеклетка, снабженная гаплоидным ядром и необходимыми питательными веществами в цитоплазме, оказывается подготовлен­ ной к оплодотворению, тогда как рудиментарное полярное тельце, как и два его параллельно образовавшихся аналога, разрушаются, высво­ бождая ядерный продукт в среду, окружающую зрелое яйцо. У человека второе мейотическое деление совершается, по-видимому, в момент оплодотворения (рис. 5.2) .

Рис. 5.2. Схема мейоза у женщины (по К. Bresch, М. Hausman, 1972) .

Как выяснилось, регулярный рост фолликулов, их овуляция и атрезия (обратное развитие) контролируются фолликулостимулирующим и лютеинизирующим гормонами гипофиза. Растущие фолликулы секретируют эстрогены (эстрадиол и прогестерон), влияющие, в свою очередь, на интенсивность секреции гонадотропинов. Установлено, что рост фолликулов зависит, в основном, от фолликулостимулирую­ щего гормона, а созревание яйцеклетки и овуляция - от лютеинизирующего. Такой эволюционно сложившийся механизм синхронизирует два причинно не связанных процесса: созревание яйцеклеток и их ову­ ляцию, что обеспечивает выход в яйцевод зрелой, готовой к оплодотворению гаметы. Если для возобновления мейоза достаточ­ но небольшого увеличения секреции лютеинизирующего гормона, то для индукции овуляции требуется его полноценный выброс. Следова­ тельно, при восстановлении гонадотропной функции гипофиза может возникнуть ситуация, когда яйцеклетка завершила первое деление созревания и готова к оплодотворению, а овуляция, вследствие недо­ статочного (или растянутого во времени) увеличения секреции лю­ теинизирующего гормона задерживается. Тогда возникает так назы­ ваемое внутрифолликулярное перезревание («старение») яйцеклетки .

При этом меняются свойства ооплазмы, в частности, ее кортикаль­ ного слоя, препятствующего проникновению в яйцеклетку избыточ­ ных сперматозоидов, а также структуры, обеспечивающей расхож­ дение хромосом (прежде всего, аппарата веретена деления). Эти на­ рушения вызывают гибель гаметы, потерю способности к оплодот­ ворению или формирование зиготы с несбалансированным хромосом­ ным набором. В результате зародыши погибают или формируются эмбрионы с хромосомными аномалиями (например, синдром Дауна) .

Многие исследователи рассматривают внутрифолликулярное пере­ зревание как следствие нарушения нейрогормональной регуляции реп­ родуктивной функции, связанного с сезонными изменениями в секре­ ции гормонов .

Сперматогенез у человека. Дифференциация первичных половых клеток до сперматогоний происходит у зародыша человека с мужским кариотипом, когда его размеры в длину едва достигают 15 мм и со­ провождаются одновременно становлением гистологической архитек­ тоники семенника. Формирование специфических половых признаков у плода мужского пола начинается гораздо раньше, чем у плода женского пола. Период образования первичных сперматогоний весьма короткий, происходит при интенсивной пролиферации первичных половых клеток со многими нарушениями в течении митозов: часто наблюдаются нерасхождения и отставания хромосом. Многие клетки в этой стадии дегенерируют. У мужчин образование и выделение гамет —процесс, начинающийся с наступлением половой зрелости и продолжающийся в течение всей жизни. Процесс образования спермия занимает примерно 70 дней. На 1 г массы яичка в сутки образуется 107 сперматозоидов. Эпителий семенного канальца состоит из наружного слоя клеток зачаткового эпителия и, примерно, шести слоев клеток, которые соответствуют последовательным стадиями развития сперматозоидов. Деление клеток зачаткового эпителия дает начало многочисленным сперматогониям, которые увеличиваются в размерах и становятся сперматоцитами первого порядка. П оследние в результате мейоза Lобразуют сперматоциты второго порядка, а после мейоза II превращаются в сперматиды (рис. 5.3). Между «тяжами»

из развивающихся клеток расположены крупные клетки Сертоли, или трофические клетки, расположенные во всем пространстве от наружного слоя канальца до его просвета. Здесь сперматоциты преРис. 5.3. Сперматогенез у человека:

а - зиготена (конъю гация гомологичны х хр ом осом ); б - пахитена; в - м етаф аза I;

г - анафаза II (п о В. Severinghause, 1942) .

вращаются в сперматиды и, созревая, превращаются в сперматозои­ ды. Вероятно, клетки Сертоли обеспечивают созревающим спермиям механическую опору, защиту и питание. Эти клетки секретируют и жидкость, с которой спермии проходят по канальцам. Рост и развитие спермиев у человека стимулируется фолликулостимулирующим гор­ моном, а синтез тестостерона лейдиговыми клетками яичка - лютеинизирующим гормоном гипофиза. Тестостерон - главный андроген­ ный гормон, влияющий на формирование первичных и вторичных половых признаков. Для успешного образования спермиев необходи­ мы и тестостерон, и фолликулостимулирующий гормон, тогда как раз­ витие вторичных половых признаков как в период полового созрева­ ния, так и поддерж ание их в течение всей взрослой жизни, контролируются только тестостероном .

5.2. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ У ЧЕЛОВЕКА Яйцеклетка и сперматозоид имеют весьма ограниченную продол­ жительность жизни и еще более ограничены временем сохранения или способности к оплодотворению .

У человека, освобожденное из яичника яйцо сохраняет способ­ ность к оплодотворению около 24 ч, тогда как сперматозоиды человека в половых путях женщины остаются подвижными более 4 суток, но оплодотворяющую способность теряют уже через 1-2 дня. Скорость движения сперматозоидов в обычных условиях, по разным данным, составляет 1,5-3 мм/мин .

В эякуляте человека в среднем содержится 350 млн. спермато­ зоидов, из них лишь некоторые достигают яйцевода, будучи способ­ ными к оплодотворению яйцеклетки. Если количество сперматозоидов в эякуляте мужчины меньше 150 млн. (или меньше 60 млн. на 1 мл), то вероятность оплодотворения резко снижается. Внешне бесполез­ ная избыточность концентрации сперматозоидов в эякуляте имеет важное значение в механизме оплодотворения .

У человека во время овуляции освобождается яйцо, окруженное сплошным слоем фолликулярных клеток, спаянных между собой му­ кополисахаридной упаковкой. В таком усложненном наряде яйцо не­ доступно для проникновения сперматозоида: оно должно быть преж­ де освобождено от «лучистого венца». Задача рассеивания фоллику­ лярных клеток, окружающих яйцо, непосильна единичному сперма­ тозоиду. Для этого необходимо совместное действие большого коли­ чества спермиев. Из множества атакующих сперматозоидов лишь тот проникает в яйцо, навстречу которому яйцо селективно образует ответный вырост цитоплазмы - воспринимающий бугорок. И хотя не исключена возможность внедрения в яйцо других сперматозоидов, выбор для воссоединения в единой зиготе уже сделан окончательно .

Другие проникающие в клетку сперматозоиды разрушаются и реутилизируются в ее метаболизме, не принимая прямого участия в даль­ нейшем развитии .

После того как спермий вступит в контакт с яйцом, он прикрепля­ ется к яйцевой оболочке, и начинается процесс его проникновения в ооплазму. Орудием для проникновения спермия через яйцевую обо­ лочку служит акросома. Последняя испытывает характерные изме­ нения, носящие название акросомной реакции (рис. 5.4). Акросомная реакция у млекопитающих характеризуется тем, что после встречи спермия с яйцом, плазматическая и наружная акросомные мембра­ ны на вершине головки слипаются между собой во многих местах. В этих местах возникают небольшие отверстия, через которые в на­ ружную среду выходят заключенные в акросоме ферменты - гиалуРис 5.4.

Акросомная реакция и первые стадии слияния спермия с яйцом млекопитающих:

а - акросома; оп - ооплазма: ядро черное (по С. R. Austin, 1972) .

ронидаза, протеиназа и фермент, связывающий фолликулярные клет­ ки яйценосного бугорка между собой. Прохождение спермия через лучистый венец (zona pellucida), по-видимому, осуществляется при участии литического фермента. Приблизившись к поверхности яйца, спермий сливается с его плазматической мембраной боковой повер­ хностью головки .

Спермин млекопитающих, только что попавшие в половые пути самки, еще не способны к осуществлению акросомной реакции, т.е. к соединению с яйцом. Чтобы приобрести эту способность, они долж­ ны испытать какие-то физиологические изменения, получившие на­ звание капацитации (англ, capacitation - приобретение способности) .

Для капацитации спермиев требуется определенное время воздей­ ствия на них жидкой среды женских половых путей, которое различно для разных видов (у крысы - 3 часа, у кролика - 5 часов, у челове­ к а - 7 часов) .

В отличие от большинства животных, головка спермия у челове­ ка сохраняет в ооплазме первоначальную ориентацию, продвигается к месту встречи с женским ядром, не совершая поворота. Ядро спермия постепенно преобразуется в мужской пронуклеус. Его хро­ матин, изначально плотно упакованный, разрыхляется и рассеивает­ ся .

Рис. 5.5.

Схема последовательных стадий соединения яйца и сперматозоида во время оплодотворения у человека:

1 - головка и средняя часть сперматозоида; 2 - хвост сперматозоида; 3 - воспринима­ ю щ ий бугорок; 4 - второе митотическое деление; 5 - путь проникновения; 6 - сближ е­ ние ядер; 7 - образование полярных телец; 8 - слияние ядер (по К. Вилли, В. Детьс, 1971) .

У человека, как и у плацентарных, сперматозоиды проникают в незрелую яйцеклетку, находящуюся в периоде созревания. Спустя 10 часов после проникновения сперматозоида в ооцит выделяется пер­ вое редукционное тельце, а 24 часа спустя - второе (рис. 5.5) .

В момент совершения оплодотворения яйцеклетка почти мгновен­ но проявляет кортикальную реакцию - образуется оболочка оплодот­ ворения, предотвращающая проникновение других сперматозоидов. Од­ новременно остальные сперматозоиды, окружающие яйцеклетку, те­ ряют направленную активность, хотя еще сохраняют свою подвиж­ ность. С этого момента в состоянии яйцеклетки наступают физичес­ кие изменения, сопровождающиеся активацией ряда ее биологических свойств: возрастает проницаемость цитомембраны, теплопродукция, более чем в 70 раз усиливаются окислительно-восстановительные ре­ акции, активизируется синтез белка, углеводный и липидный обмен .

Ритмы репродуктивной активности, сформировавшиеся под влия­ нием внешних факторов у животных, оказались включенными в реп­ родуктивный процесс и у человека. Известно, что менструальные циклы сходны по продолжительности с лунными, хотя прямая связь между ними утрачена .

В настоящее время примерно 10% менструальных циклов у здоровых женщин протекают без выхода яйцеклетки, т.е. ановуляторно .

Чередование овуляции и ановуляции связано, очевидно, с сезонными изменениями активности нейроэндокринной системы. Так, статисти­ ка родов в Западной Европе, США и Австралии показала, что в ряде регионов «кривая рождаемости» у человека имеет следующий ха­ рактер: широкий пик в зимние месяцы, спад весной, небольшой подъем летом, значительное снижение осенью. Следовательно, как и у дру­ гих видов млекопитающих, зачатие у человека чаще происходит в весенние и осенние месяцы .

Мощное вторжение в биологию человека социокультурных факто­ ров привело к фактическому «отчуждению» полового акта от потреб­ ности деторождения, превратив его преимущественно в источник на­ слаждения. Это способствует десинхронизации овуляции и оплодот­ ворения, перезреванию как женских, так и мужских гамет. Влияние этого фактора на репродуктивную функцию подтверждается боль­ шей частотой хромосомных аномалий у зародышей человека на ран­ них стадиях развития, а также широким спектром и высокой часто­ той «спонтанных» пороков развития у человека по сравнению с жи­ вотными .

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕТЕРМИНАЦИЯ ПОЛА У

5.3 .

ЧЕЛОВЕКА

Раздельнополость - самый первый, самый облигатный и самый глобальный феномен сексуальности человека. Разделение челове­ ческих особей на мужчин и женщин предполагает у каждого индиви­ дуума полное соответствие анатомического строения половых орга­ нов, пропорций тела (рост, соотношение ширины плеч и таза, выра­ женность и распределение подкожного жирового слоя и т.д.), полово­ го самосознания (т.е. ощущения себя представителем определенного пола), и, наконец, адекватную направленность полового влечения и наличие соответствующих стереотипов полового поведения .

Становление этой системы начинается с детерминации генети­ ческого пола, определяемого набором половых хромосом (рис. 5.6) .

Генетический пол в свою очередь обусловливает гонадный (или ис­ тинный) пол, идентифицируемый по основному показателю половой принадлежности - гистологическому строению половой железы. Ис­ тинным его называют потому, что он определяет гаметный пол, т.е .

способность половой железы образовывать сперматозоиды или яй­ цеклетки. Гонады тем самым выявляют роль данного индивидуума в процессе воспроизведения. Наряду с этим, гонадный пол определя­ ет также и гормональный пол, т.е. способность половой железы секретировать специфические половые гормоны (в эмбриональном пе­ риоде функционируют только семенники, в пубертатном же периоде начинается регулярное продуцирование специфических половых гор­ монов как в семенниках, так и в яичниках). В свою очередь, уровень и доминирующая направленность гормональных воздействий опре­ деляют морфологический (или соматический) пол (фенотип) субъек­ та, т.е. строение и развитие его внутренних и наружных половых ор­ ганов, а также вторичных половых признаков. Следует помнить, что понятие «пол» слагается из многих взаимосвязанных биологических и социально-психологических компонентов .

Пол - совокупность признаков и свойств организма, обеспечи­ вающих его участие в воспроизведении потомства и передаче наследственной информации за счет образования гамет .

Биологическая дифференцировка пола программируется генети­ ческим набором половых хромосом, образующихся в зиготе при слиянии материнской и отцовской гамет (рис. 5.7) .

Эмбриональная гонада бисексуальна. Закладка первичных гонад у зародыша человека происходит на 5-ой неделе внутриутробного развития. Генетический пол зародыша определяется половой хромосомой сперматозоида: если это Х-хромосома, то родится девочка, если Y - мальчик. Х-хромосома несет ген Tfm (ген тестикулярной феминизации), нормальный аллель которого детерми­ нирует синтез в гонадах белкового рецептора для андрогена. Мутация гена Tfm у мужских организмов приводит к нарушению синтеза белков

Рис. 5.6. Формирование пола у человека:

1 - физикальные детерминанты половой принадлежности; 2 - промежуточная детерми­ нанта; 3 - социально психологические детерминанты (по Г. С. Васильчикову, 1990) .

–  –  –

Рис. 5.7. Этапы дифференцировки пола человека (по И. В. Голубевой, 1990) .

рецепторов к андрогенам. Формируется синдром тестикулярной феминизации или синдром Морриса (наличие женских вторичных половых признаков у мужских организмов). Y-хромосома несет ген, детерминирующий синтез белка-Н-У-антигена, который стимулирует дифференцировку клеток половых складок в семенные канальцы и интерстициальные клетки. В процессе дифференцировки при генотипе зиготы XTfin XTfin из cortex формируется яичник, а при генотипе X Tfm Y H-Y из medulla - семенник .

К 10-ой неделе пол эмбриона можно определить по двум критериям:

набору половых хромосом и гистологической структуре половых желез. Пол зрелой гонады (гонадный пол) определяется по состоянию генеративных элементов: примордиальных фолликулов с ооцитами I в яичниках или семенных канальцев, содержащих сперматозоиды в яичках .

Гормональной функцией гонад является продуцирование половых гормонов их промежуточной тканью (тека - ткань яичников и клетки Лейдига яичек). Как в яичке, так и в яичнике образуются основные половые гормоны: тестостерон, эстрогены и прогестерон, но в разном соотношении: яичники образуют преимущественно эстрогены и при условии происшедшей овуляции - прогестерон; яички продуцируют в основном тестостерон. Особенности биосинтеза половых стероидов, присущие яичникам или яичкам, формируют гормональный пол, т.е .

относительное соотношение и абсолютные количества половых гормонов, характерные для определенного пола. Тестостерон, выделяемый в кровеносную систему зародыша, взаимодействует с рецептором андрогенов в клетках-м иш енях потенциальной репродуктивной системы. Образующийся в результате комплекс рецептора с тестостероном переходит в клеточное ядро, где он активирует гены, влияющие на развитие тканей. Тестостерон стимулирует развитие только тех тканей, которые дают начало мужской репродуктивной системе. Поэтому из зародыш а XY развивается плод мужского пола. Ткани потенциальной женской репродуктивной системы не активируются и не развиваются. У зародыша XX отсутствие тестостерона позволяет репродуктивной системе развиваться по женскому типу .

На 10-12-й неделе внутриутробной жизни формируются внутренние половые органы. До периода дифференцировки внутренних гениталий эмбрионы как женского, так и мужского генетического пола имеют остатки мочеточников предпочки, которые являются предшествен­ никами половых органов обоих полов. Так называемые мюллеровы каналы являются предшественниками женских внутренних половых органов - маточных труб, матки, верхней части влагалища; вольфовы протоки (протоки первичной почки) трансформируются в придаток яичка, семявыносящий проток, семенные пузырьки .

После 12-й недели при определенном уровне андрогенов в организ­ ме эмбриона начинается маскулинизация наружных половых органов, которая заверш ается к 20-й неделе и заклю чается в атрофии влагалищного отростка, срастании мошоночного шва (образование мошонки), увеличении пещеристых тел полового члена и формировании кавернозной части мочеиспускательного канала .

В пубертатном периоде определенный уровень эстрогенов обес­ печивает развитие женских половых признаков - женское строение тела, формирование молочных желез, малых половых губ, девственной плевы, увеличение матки и влагалища. Андрогены определяют мужской тип скелета, мускулатуру, хрящи гортани («адамова яблока»), мутацию голоса, увеличение мошонки и полового члена, развитие типа полового оволосения. Синхронизация овариального цикла (развитие фолликула, овуляция, формирование желтого тела) и гипоталамичес­ кой гонадотропной регуляции также происходит в пубертатном периоде и завершается установлением присущего женскому организму цик­ лического типа регуляции. У мужчин гонадотропная функция посто­ янна .

5.4. НАРУШЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛА У ЧЕЛОВЕКА

Гермафродитизм у человека возможен у особей обоих полов, по­ скольку гонады содержат генеративные элементы как женского, так и мужского пола. Могут быть раздельные или совместная гонады .

Семенники, как правило, недоразвиты и не содержат способных к созреванию сперматозоидов. Яичник (или его часть) более развит .

Фолликулы способны к созреванию и овуляции. Кариотип - чаще 46 XX, бывает - 46 ХУ .

Чаще встречается ложный гермафродитизм, включающий все формы патологии полового развития. Вторичные половые признаки могут формироваться или по женскому, или по мужскому пути. Сле­ дует помнить, что к гермафродитизму не относятся транссексуализм, фетишизм, трансвестизм и другие аномалии поведения человека .

Транссексуализм - явление, при котором у лиц с нормально сформированным полом (мужским, женским) из-за психологи­ ческой доминанты не устраивает собственный пол и ставится вопрос об изменении его на противоположный. Транссексуализм встречается с частотой 1 : 37 000 до 1 : 100 000 населения. Средний возраст обращения к врачам составляет у мужчин 23-24 года, у жен­ щ и н -2 5 лет. Только ярко выраженный («ядерный») транссексуализм может послужить основанием для хирургичесуой смены пола .

Фетишизм - возведение в культ фетиша, символизирующего сексуального партнера. В качестве фетиша могут выступать предметы туалета, носовые платки, нижнее белье, одежда, обувь и др. Фетишизм встречается исключительно у мужчин .

Трансвестизм - случай, когда человек переодевается в одеж­ ду противоположного пола для получения удовлетворения .

При фетишизме и трансвестизме вопрос об изменении пола не ста­ вится .

5.5. СОВРЕМЕННАЯ РЕПРОДУКТИВНАЯ СТРАТЕГИЯ

ЧЕЛОВЕКА

Основная задача современной репродуктивной стратегии состоит в том, чтобы устранить неблагоприятные факторы, препятствующие нормальному созреванию гамет, оплодотворению и раннему (доимплантационному) развитию. Как установлено, внутриутробная гибель у человека наиболее высока в первую неделю после зачатия;

16% гамет вообще не способны к оплодотворению, а 42% зародышей погибают в ближайшие дни после него. Это позволяет считать, что ранняя эмбриональная гибель в значительной степени связана с изменениями, возникающими в яйцеклетке еще до ее выхода из фолликула, т.е. с проэмбриональными нарушениями онтогенеза .

Если говорить о репродуктивной стратегии, то следует сразу оговориться, что она не может быть единой во всех странах. Подав­ ленная во время лактации гонадотропная активность гипофиза, сопровождающаяся гак называемой лактационной аменореей, восстанавливается только спустя несколько месяцев. В то же время ее нормальный ритм совершенно необходим для образования способной к оплодотворению гаметы, овуляции и формирования желтого тела, обеспечивающего подготовку слизистой матки к имплантации эмбриона. Таким образом, речь идет о связи патологии гамет и раннего развития с гормональными нарушениями .

Современная репродуктивная стратегия должна включать такой обязательный элемент, как профилактика врожденной патологии. Он включает прежде всего пренатальную, т.е. дородовую диагностику наследственных (и ненаследственных) заболеваний плода на ранних стадиях его развития у беременных "групп риска" .

В случае обнаружения у плода наследственного дефекта, беремен­ ность можно прервать и, таким образом, предотвратить рождение ребенка-инвалида. В настоящее время, благодаря успехам медицин­ ской генетики и созданию высокочувствительных ультразвуковых аппаратов такая задача вполне разрешима .

Для преодоления бесплодия у человека разрабатываются новые перспективные методы, связанные с развитием "новой репродуктивной технологии": искусственного осеменения, оплодотворения яйцеклетки in vitro, пересадки эмбрионов в маточные трубы, донорства яйцеклеток и эмбрионов, "суррогатного материнства". Последние стадии овогенеза можно воспроизвести вне организма женщины, в искусственной питательной среде, что позволило осуществить зачатие в пробирке. После овуляции хирургическим путем яйцо извлекается из яичника и переносится в среду со сперматозоидами. Возникшие в результате оплодотворения зигота помещается в питательную среду и начинает дробиться на стадии 8-16 бластомеров. Зародыш переносится в матку женщины-рецепиента для донашивание плода и его рождения. Такой способ рождения ребенка в последнее время возрастет .

Рождение на свет Луизы Браун - первого ребенка, появившегося на свет в 1978 г. в результате искусственного оплодотворения, проведенного П. Стептой и Р. Эдвардсоном, породило надежду у бездетных пар, составляющих 10% всей мировой популя-ции. В случае риска возникновения наследственного заболевания возможно осущ ествить оп лодотворение in vitro, а такж е провести так называемую предимплантационную диагностику эмбриона и исследовать его цитогенетическим или молекулярно-биохимическими методами. Последующая пересадка в матку только неповрежденных эмбрионов гарантирует развитие здорового потомства. Методы "новой репродуктивной технологии" позволяют также "заменять" дефектные гаметы на здоровые, взятые у донора. Актуальность этих работ велика .

Следует особенно подчеркнуть необходимость решения проблемы женского труда. Настало время пересмотреть сложившиеся в нашей стране представления о "равноправии труда" женщины и мужчины .

Необходимы смещ ение приоритетов в сторону материнства и разработке мер по предупреждению воздействия на будущую мать вредных профессиональных и экологических факторов. Целесообразно в связи с этим выделить специальную проблему - гигиену зачатия, которая должна стать частью направления по созданию научно обоснованных рекомендаций по планированию семьи в современных экологических условиях. Таким образом, забота о будущем ребенке должна начинаться задолго до его появления на свет и даже до наступления беременности .

5.6. БИОЭТИКА. ЭТИЧЕСКИЕ И ЮРИДИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ ВМЕШАТЕЛЬСТВА В РЕПРОДУКЦИЮ

ЧЕЛОВЕКА

Этические и юридические аспекты вмешательства человека в свое воспроизводство рассматривает специальная наука "биоэтика" .

Биоэтика - наука, которая изучает этические проблемы, возника­ ющие в результате прогресса медицины и биологии. Биоэтика изучает моральные, юридические и социальные проблемы, рождающиеся по мере развития медицины и биологии. Содержанием биоэтики является изучение этических проблем, являющихся следствием медикобиологических исследований и их применения в искусственном оплодотворении, транспланталогии, генной инженерии и т.д. Конечная цель биоэтики - защ ита человека и общ ества от возможных негативных воздействий медицины и биологии на жизнь и здоровье человека и человечества в целом. Инструментом такой защиты являются этические правила- законы или иные правовые документы .

Еще в клятве Гиппократа врач обязуется "не вредить больному" .

Поэтому биоэтика связана с деонтологией - учением об этических нормах взаимоотнош ений врача с пациентом и общ еством, и медицинской этикой. Европейский Комитет Экспертов по биоэтике еще в 1987 г. принял ряд рекомендаций по искусственному воспроиз­ водству потомства у человека. По мнению Комитета необходимо правовое запрещение торговли гаметами, эмбрионами, коммерциали­ зации суррогатного материнства. Матерью следует считать женщину, родивш ую ребенка. В принципе запрещ ается искусственное оплодотворение яйцеклеток для научных целей. Запрещается выра­ щивание эмбрионов in vitro для научных целей старше 14 дней .

Требуют юридической регламентации и все аспекты по проведению операций при транссексуализме. Острые биоэтические проблемы встали в последнее время в связи с реальной возможностью клонирования человека .

Таким образом, современная репродуктивная стратегия человека базируется не только на новых достижениях биологии и медицины .

Она должна строиться с учетом всех норм биоэтики и юридического законодательства .

ГЛАВА VI. ГЕНЕТИКА КАК НАУКА. ГЕННЫЙ

УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОГО

МАТЕРИАЛА

6.1. ГЕНЕТИКА, ЕЕ ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ, ЭТАПЫ

РАЗВИТИЯ

Генетика —наука о законах наследственности и изменчивос­ ти организмов и методах управления ими. Термин «генетика» ввел английский ученый В. Бэтсон в 1906 г. (греч. geneticos - относящийся к рождению) .

Наследственность —неотъемлемое свойство организмов пе­ редавать при размнож ении свои признаки и особенности р а з­ вития в ряду последующих поколений. Благодаря этому свойству некоторые виды остались неизменными на протяжении сотен миллионов лет (опоссум, латимерия, гаттерия). Материальной осно­ вой наследственности являются яйцеклетка и сперматозоид при половом и отдельные соматические клетки при бесполом размноже­ нии .

При изучении наследственности как одного из свойств живого следует различать и понятие «наследование», которое отражает закономерност и процесса передачи наследст венны х свойст в организма от одного клеточного или организменного поколения к другому при размножении. При половом размножении наследова­ ние осуществляется через половые клетки, а при бесполом - посред­ ством деления соматической клетки. Анализ закономерностей наследования является важнейшим методом познания сущности законов наследственности .

Клетки не содержат готовых зародышей признаков взрослых осо­ бей. Они несут в себе только задатки, возможности развития призна­ ков и свойств, называемые генами. Ген - участок геномной нуклеино­ вой кислоты, единица наследственности, определяющая отдельный элементарный признак, касается ли последний структуры белковой молекулы или элементарной реакции организма. Совокупность всех генов организма называют генотипом. Гаплотип - совокупность всех генов клетки при гаплоидном наборе хромосом. Геном совокупность всех генов гаплоидного набора хромосом организма .

Генофонд - вся генетическая информация популяции, т.е. полный набор генов, сложившийся в процессе ее эволюции. Совокупность же наблюдаемых свойств организма называют фенотипом, а вариант одного признака - фен. Следует помнить, что термины «генотип» и «фенотип» чаще употребляются в более узком смысле, относя их только к тем признакам и определяющим их генам, которые в данном конкретном случае интересуют исследователя (пример: кареглазость и голубоглазость у человека) .

Изменчивость - фундаментальное свойство живых организ­ мов, выражающееся в способности изменяться и проявляющееся в разнообразии признаков. Изменчивость является отражением нестабильного сохранения наследственных свойств организма. Она заключается в изменении генов и их комбинировании, а также в из­ менении их проявления в процессе индивидуального развития организмов. Таким образом, наследственность и изменчивость - два фундаментальных свойства живого, диалектическое единство кото­ рых обеспечивает эволюцию организмов на Земле .

Генетика изучает наследственность и наследственную изменчи­ вость в четырех аспектах:

во-первых, изучает проблему хранения генетической информации, выясняет в каких материальных структурах клетки заключена гене­ тическая информация и каким образом она в них закодирована;

во-вторых, выясняет проблему передачи генетической информа­ ции и изучает механизмы и закономерности передачи генетической информации от клетки к клетке и от поколения к поколению;

в-третьих, анализирует проблему реализации генетической ин­ формации; изучается, как генетическая информация воплощается в конкретных признаках развивающегося организма, взаимодействуя при этом с влиянием факторов окружающей среды;

в-четвертых, рассматривает проблему изменения генетической информации; выясняются типы и причины изменений, которым под­ вергается генетическая информация и механизмы их возникновения .

История развития генетики отсчитывается с 1900 г, - года переоткрытия законов Менделя Г. Де Фризом, К. Корренсом и Э. Чермаком. Первый этап развития новой науки охватывает период с 1900 по 1912 гг. Это период триумфального признания законов Г. Менделя .

Второй этап приходится на 1912-1925 гг., который характеризовал­ ся созданием хромосомной теории в работах Т. Моргана и его школы .

Третий этап истории генетики приходится на 1925-1940 гг. Он связан с открытием искусственного мутагенеза и изучением генетических процессов эволюции. Для четвертого периода развития генетики (1940-1953 гг.) характерно развитие работ по генному контролю фи­ зиологических и биохимических признаков. Пятый этап развития генетики (с 1953 г. по настоящее время) связан с развитием исследо­ ваний на молекулярно-генетическом уровне, раскрывающих строение гена, механизмов его регуляции и экспрессии. В начале 21 века полностью прочитан геном человека, разработаны методы генети­ ческой диагностики заболеваний человека и их генной терапии .

Вклад белорусских ученых в развитие генетики связан с разра­ боткой роли наследственных факторов в тератологии, изучении хро­ мосомных болезней человека. Центром изучения генетики человека стал г. Минск. В 1960 г. в г. Минске по инициативе профессора Ю.В. Гулькевича было начато изучение наследственной тератологии, была открыта специальная лаборатория, где изучались уродства. В 1969 г. открыт первый медико-генетический кабинет. С 1972 г .

работает прозектура по наследственной патологии. Крупнейшими спе­ циалистами в Республике по хромосомным аутосомным заболеваниям стали Г.И. Лазюк, И.В. Лурье, В.П. Кулаженко, М.К. Недзьведь. В 1977 г. в г. Могилеве был открыт единственный в СССР центр по ди­ агностике наследственных заболеваний обмена веществ, который в 1981 г. был переведен в г. Минск и преобразован в филиал института медицинской генетики, а с 1985 г.- в институт медицинской генетики М инздрава Республики Беларусь. С 2004 г. цитогенетические лаборатории института медицинской генетики вошли в состав Республиканского научно-практического центра “Мать и дитя”. Кро­ ме того, при Национальной Академии наук РБ работает институт генетики, в котором изучаются и разрабатываются вопросы приклад­ ной генетики для сельского хозяйства. Весомый вклад в развитие этого направления внесли Н.В. Турбин, П.Ф. Рокицкий, Р.И. Гонча­ рова, Т.Д. Кужир и другие ученые .

6.2. ГЕННЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ

НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА

Молекулярные основы наследственности изучает специальный раздел генетики, получивший название «молекулярная генетика», ко­ торый сформировался в 40-50-х годах XX века в результате исполь­ зования идей и методов физики и химии для решения генетических проблем. Именно исходя изданных молекулярной генетики стало воз­ можным говорить об уровнях организации наследственного матери­ ала у прокариот и эукариот - генном, хромосомном и геномном и по­ казать их единство .

Генный уровень организации наследственного материала связан прежде всего с успехами хромосомной теории наследственности. Уже к концу первой четверти XX века под абстрактным понятием «ген», введенном в генетику В. Иогансеном в 1909 г., понималась матери­ альная частица наследственности, лежащая в хромосоме, способная к саморепродукции и являющаяся минимальной единицей рекомби­ нации, мутации и генетической функции .

Еще Г. Мендель предложил обозначать наследственные задатки (гены) буквами латинского алфавита. Гены, от которых зависит раз­ витие альтернативных признаков, принято называть аллеломорфны­ ми (греч. «allelon» - друг с другом, «шогрЬа» - форма) или аллельны­ ми. Аллельные гены расположены в гомологичных локусах гомоло­ гичных хромосом; каждый ген может иметь два состояния - доми­ нантное и рецессивное. Явление преобладания у потомка первого поколения признака одного из родителей Г. Мендель назвал до­ м инированием (лат. dom inans - преобладат ь). Признак, подавляющийся у гибрида, получил название рецессивного (лат .

recessus - отступление). Доминантный ген принято обозначать большой буквой латинского алфавита (А), а рецессивный - малой (а) .

Организмы, имеющие одинаковые аллели одного гена, например, оба доминантных (АА) или оба рецессивных (аа), называются гомози­ готными или гомозиготами. Организмы, имеющие разные аллели одного гена - одну доминантную, другую рецессивную (Аа) - называ­ ют гетерозиготными или гетерозиготами (рис. 6.1). Если организм имеет только один аллель гена (Xh), то тогда говорят, что такой организм гемизиготен .

В связи с успехами молекулярной генетики в последние два деся­ тилетия старые представления о гене подверглись существенному пересмотру. Согласно современным уточненным представлениям

Рис. 6.1. Схема расположения аллельных генов в гомологичных хромосомах:

1 - гомозигота доминантная; 2 - гомозигота рецессивная; 3 - гетерозигота (ориг.) .

ген — участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты, харак­ теризуемый специфической для него последовательностью нук­ леот идов, предст авляю щ ий единицу функции, от личную от функции других генов. Оказалось, что ген дискретен. Наиболее четко дискретность гена была изучена американским генетиком С. Бензером на примере исследования тонкой структуры генов фага Т4 кишечной палочки. Им было показано, что ген может быть разделен кроссинговером на множество частей. Дискретная организа­ ция генов была установлена и у эукариот. Минимальной единицей мутации является мутон, а рекомбинации - рекон, минимальный размер которых равен одной паре нуклеотидов .

В связи с выяснением сложной структуры гена было дифферен­ цировано и понятие аллелизма. Различают два вида аллелей: гомои гетероаллели. Гомоаллели (изоаллели) - это аллели, различие меж­ ду которыми касаются только одного сайта (англ, site - местополо­ жение) - отрезка гена, который изменен произошедшей мутацией .

Гетероаллели - это аллели, у которых различия касаются разных сайтов .

Вплоть до конца 70-х годов XX века полагали, что гены суще­ ствуют в виде целого отрезка ДНК. Однако в 1977 г. было показа­ но, что у аденовируса некоторые гены существуют не в виде це­ лого отрезка ДНК, а в виде фрагментов, несущих информацию (экзоны) и не несущих таковую (интроны). Интроны удаляются во время экспрессии (проявление действия генов) и процессинга удаление "лишних" участков с помощью специфических ферментов ревертаз. Оставшиеся экзоны сшиваются конец с концом лигазами во время сплайсинга. Это явление, казавшееся курьезом, вскоре оказалось широко распространенной особенностью генома эука­ риот, в частности, птиц и млекопитающих. Например, ген цепи рглобулина человека включает в себя три экзона и два интрона; ген постоянного участка тяжелой цепи иммуноглобулина мыши содер­ жит 4 экзона и 4 интрона. Поэтому говорят о «мозаичном» строе­ нии генов эукариот. Последовательность нуклеотидов, составля­ ющая мозаичный ген, вначале переписывается в молекулу проиРНК, которая является своего рода предшественником иРНК. За­ тем про- иРНК подвергается поэтапному процессингу и сплайсин­ гу и только после этого получается иРНК, готовая для последую­ щей транскрипции. Объяснение факта существования интронов пока не найдено. Допускается, что в момент образования иРНК из про-иРНК может иметь место различное сцепление экзонов друг с другом, что приводит к синтезу различных белков. Интроны слу­ жат материалом для образования новых генов в процессе эволю­ ции. Показано, что мутации затрагивающие концы интронов могут нарушать процесс сплайсинга, останавливать синтез белка и из­ менять его структуру .

Термин «ген» сразу, как только был предложен, использовался для обозначения наследственных задатков, определяющих развитие тех или иных внешних фенотипических признаков. В 1944 году Дж. Бидл и Э. Татум выдвинули для прокариот гипотезу: «один ген - один фер­ мент». Сегодня, несколько изменив первоначальную формулировку, можно сказать: один ген - один белок или один ген - один полипеп­ тид. Хотя эта концепция сохраняет свое значение и по сей день, она уже недостаточно современна, т.к. известно, что существуют белки, которые кодируются генами, распределенными вдоль всего генома .

Молекула ДНК выполняет различные функции. В ней имеются не только нуклеотидные последовательности, несущие генетическую ин­ формацию, но и такие, которые контролируют проявление (экспрес­ сию) генов и их репликацию .

6.3. ЭКСПРЕССИЯ И РЕПРЕССИЯ ГЕНОВ Генетические механизмы экспрессии генов были изучены у мик­ роорганизмов французскими генетиками Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 году. Главное положение их учения состоит в том, что в ДНК имеются два типа генов: структурные гены, последовательности нук­ леотидов которых кодируют структуру синтезируемых клеткой мак­ ромолекул (полипептидов, белков); и регуляторные или акцепторные гены, последовательности нуклеотидов которых не имеют кодирую­ щей функции, но с помощью присоединения к ним разных белковых факторов управляют работой структурных генов. В дальнейшем были обнаружены еще два класса генов - модификаторы и синтеза РНК .

Гены-модификаторы ускоряют или замедляют скорость биохими­ ческих реакций, а гены синтеза РНК определяют образование тРНК и рРНК .

Один или несколько структурных генов, расположенных в бак­ териальной хромосоме рядом с группой регуляторных генов, пред­ ставляют единицу генетической регуляции - оперон. Принципы работы оперона прокариот были изучены на примере работы оперона кишечной палочки, ответственного за усвоение лактозы. Оперон на­ чинается с акцепторного участка, к которому присоединяется особый белок-активатор (Cap-белок, активизирующий катаболические гены) .

Без этого белка, фермент РНК-полимераза не может связаться с опероном и начать транскрипцию. Cap-белок предварительно активизи­ руется сам присутствующим в клетке циклическим аденозинмонофосфатом (ц-АМФ). Вслед за этим участком расположен промотор (рис. 6.2). Это последовательность нуклеотидных пар, опознаваемая РНК-полимеразой, которая прикрепляется к промотору и затем про­ двигается вдоль оперона, транскрибируя его. За промотором нахо­ дится оператор, состоящий из 21 пары нуклеотидов, который играет важную роль в регуляции работы оперона, так как с ним может свя­ зываться особый тормозящий транскрипцию белковый фактор регуляторный белок. Заканчивается лактозный оперон терминато­ ром - небольш им участком ДНК, служащим стоп-сигналом, прекращающим продвижение РНК-полимеразы и транскрипцию оперона .

Основная регуляция работы структурных генов 1ас-оперона осу­ ществляется регуляторным белком, который кодируется геномрегулятором (рис. 6.3). Этот белок синтезируется непрерывно, но в очень небольшом количестве в клетке. Одновременно в цитоплазме присутствует не более 10 его молекул. Регуляторный белок обладает сродством с опероном, и если в питательной среде нет лактозы, то прикрепляется к оператору и препятствует продвижению РНКполимеразы от промотора к структурным генам, которые оказываются негативно репрессированными. Синтез кодируемых ферментов не идет. При поступлении в питательную среду лактозы регуляторный белок связывается с лактозой раньше, чем его молекулы достигнут оператора и сильно изменяет свою структуру, вследствие чего теряет способность присоединяться к оператору. Лактоза выполняет роль эффектора - низкомолекулярного вещества, изменяющего свойства

Рис. 6.2. Строение лактозного оперона кишечной палочки:

II - промотор; Р - ген-регулятор; А - участок прикрепления белка-активатора; О оператор; Т - терминатор; z, у, а - структурные гены (п о С.М. Гершензону. 1979) .

белка при соединении с ним. Измененный регуляторный белок перестает связываться с оператором, РНК-полимераза свободно про­ двигается по оперону, транскрибирует структурные гены, и в клетке начинается синтез всех трех ферментов, необходимых для усвоения лактозы, т.е. происходит индукция. Таким образом, регуляция работы структурных генов лактозного оперона осуществляется прикрепле­ нием к оператору белка, запрещающего их транскрипцию. Индукция вызывается тем, что регуляторный белок не прикрепляется к оператору. Такой тип регуляции называется негативной индукцией синтеза белка .

Кроме негативной известна и позитивная генетическая регуляция синтеза белка. Белковый продукт гена-регулятора не запрещает транскрипцию оперона, а, наоборот, активирует ее. Позитивная индукция наблюдается в катаболическом опероне кишечной палочки, кодирующем ферменты для усвоения сахара арабинозы. Лежащий вне арабинозного оперона ген-регулятор вырабатывает регуляторный Рис. 6.3. Негативная репрессия (верхняя схема) и индукция (нижняя схема) лактозного оперона кишечной палочки (по С.М. Гершензону, 1979) .

белок, который связывается с опероном и способствует транскрипции .

При позитивной репрессии регуляторный белок, кодируемый геномрегулятором и активизирующий работу оперона, частично или полностью инактивируется эффектором. Эффектором служит арабиноза .

Схема регуляции транскрипции у эукариот была разработана в 1972 г. Г.П. Георгиевым. П ринцип регуляции работы одинаков с прокариотами, но механизмы более сложны. Оперон эукариот называ­ ется транскриптоном и состоит из неинформативной (акцепторной) и информативной (структурной) зон. Неинформативная часть состоит из акцепторного участка, промотора и генов операторов. Информа­ тивная часть состоит из структурных генов, разделенных спейсорами (участки ДНК не содержащие информации). Заканчивается транскрип­ тон терминатором. Сами структурные гены эукариот имеют экзонинтронное строение. Поэтому после образования про-иРНК со струк­ турных генов, сначала рестриктазами вырезаются спейсоры и далее интроны. Включение и выключение транскриптона происходит также как и оперона прокариот .

Регуляция активности генов у эукариот изучена менее полно, чем у прокариот. Это обусловлено дифференциацией клеток, наличием у них ядра, сложно устроенных хромосом. Допускается, что в основе регуляции действия генов у эукариот лежат механизмы, в принципе, сходные с таковыми у прокариот, однако есть и существенные отличия .

Во-первых, почти всегда оперон эукариот содержит только один структурный ген, в то время как у прокариот в большинстве оперонов их бывает несколько, иногда более десятка .

Во-вторых, у эукариот структурные гены, ответственные за разные звенья той или иной цепи биохимических реакций, как правило, разбросаны по геному, а не сосредоточены в одном опероне, как это часто имеет место у прокариот .

В-третьих, у эукариот существует одновременное групповое подавление активности генов во всем ядре, в целой хромосоме, или в большом ее участке. Такая групповая репрессия генов осуществля­ ется в значительной мере белками-гистонами, входящими в состав эукариотических хромосом. Пример групповой репрессии активности генов - это полное прекращение транскрипции всех генов при сперматогенезе .

В-четвертых, у эукариот в экспрессии гена важная роль принадлежит стероидным гормонам. В клетках-мишенях имеются специальные белки-рецепторы, синтез которых контролируется геном тестикулярной феминизации Х-хромосомы. Соединяясь с гормоном они образую т ком плекс, который обеспечивает активацию определенного гена .

В-пятых, у эукариот наблюдается изменение экспрессии генов в онтогенезе .

Примером сложной экспрессии генов в онтогенезе может служить генный контроль синтеза гемоглобинов у человека. Известно, что молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей: двух идентичных a -цепей и двух идентичных P-цепей. Гемоглобин нор­ мального взрослого человека (НвА отличается от гемоглобина эмб­ ) риона человека (эмбриональный гемоглобин Нв1 Различия между ") .

ними касаются p-цепи. В гемоглобине плода она заменена на другую полипептидную у-цепь. Наконец, в крови взрослых людей в неболь­ шом количестве встречается НвА в котором P-цепь заменена на ацепь. Все три типа нормальных гемоглобинов человека (НвА НвА, 2, Нв1) контролируются отдельными локусами. Локус а А определяет формирование a -цепей. Он эффективен в течение всей жизни, обес­ печивая наличие a -цепей во всех указанных гемоглобинах. Локус РА контролирует формирование полипептидных цепей в НвА Действие .

этого локуса проявляется только после рождения плода. Локус у1 оп­ ределяет синтез у-цепей Нв1 Этот локус эффективен в течение внут­ ' .

риутробной жизни. Локус а А контролирует формирование ст-цепей в гемоглобине НвА Он действует в течение всей жизни, после рождения .

.

Каждый из разобранных генов гемоглобина - а А РА стА у1 —моТ а б л и ц а 6.2. Х а р а к т е р и с ти к а гемоглобинов человека

–  –  –

жег быть назван структурным геном, ибо исходно они определяют последовательность аминокислот, т.е. первичную структуру полипептидной цепи .

Благодаря сложным взаимодействиям генов а А (3А стА и yF воз­,,2 никают разные типы гемоглобинов (табл. 6.2). Действие структур­ ных генов гемоглобинов находится под влиянием дополнительных генов-регуляторов. Действие гена-регулятора следует из факта замены гемоглобина Нвр плода на НвА взрослого человека. Здесь действует особый ген - «переключатель», который обусловливает приостановку действия гена у* и включение в работу гена рА В ре­ .

зультате гемоглобин плода после окончания эмбрионального периода перестраивается в гемоглобин взрослой особи. Все это указывает, что к концу эмбрионального периода происходит репрессия гена yF и одновременно происходит включение, возможно, через действие общего гена-оператора, генов рА или а А2 .

6.4. РЕПАРАЦИЯ ДНК Под действием различных агентов при нормальном биосинтезе ДНК в клетке могут возникать повреждения в самой ДНК. Многие из них исправляются с помощью особых репарирующих ферментов. Репара­ ция (лат. reparatio —восстановление) —свойственный клеткам всех организмов процесс восстановления природной структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ДНК в клетке, а также физическими или химическими агентами. Механизм репарации основан на том, что каждая молекула ДНК содержит два полных набора генетической информации, записанной в комплементарных друг другу полинуклеотидных нитях. Это обеспечивает сохранение неискаженной информации в одной нити, даже если другая повреждена, и дает воз­ можность по неповрежденной нити исправить дефект .

Первоначально способность к репарации была обнаружена у бак­ терий, подвергшихся воздействию ультрафиолетовых лучей. В ре­ зультате облучения целостность молекул ДНК нарушается, в ней возникают димеры - сцепленные между собой пиримидиновые основания. Это могут быть соединения тимина, тимина с цитозином, цитозина с цитозином и др. Однако облученные клетки на свету выживают лучше, чем в темноте. Было показано, что в облученных клетках на свету происходит световая репарация (фотореактивация) .

Она осуществляется специальным ферментом, активирующимся квантами видимого света. Фермент соединяется с поврежденной ДНК, разъединяет возникшие в димерах связи и восстанавливает целостность нити ДНК (рис. 6.4.а) .

Позднее у клеток было обнаружено свойство ликвидировать по­ вреждения в ДНК без участия видимого света (эксцизионная или темновая репарация). При эксцизионной репарации устраняются повреж­ дения, появившиеся под влиянием ионизирующей радиации, химичес­ ких веществ и других факторов. Она протекает в несколько этапов при участии разных ферментов. Первый фермент (эндонуклеаза), опоз­ нав повреждение, подрезает вблизи него нить ДНК. Другой фермент (эндонуклеаза или экзонуклеаза), делает в этой нити второй надрез, иссекая поврежденный участок. Третий фермент (экзонуклеаза), зна­ чительно расширяет образовавшуюся брешь, отсекая десятки или сотни нуклеотидов. Четвертый фермент, ДНК-полимераза, застраи­ вает брешь в соответствии с порядком нуклеотидов во второй (не­ поврежденной) нити ДНК. Пятый фермент (лигаза), сшивает нуклео­ тиды (рис. 6.4.6) .

Пострепликативная репарация осуществляется путем рекомби­ нации (обмена фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК (рис. 6.4.в). Примером такой репара­ ции может служить восстановление нормальной структуры ДНК при возникновении тиминовых димеров (Т-Т), когда они не устра­ няются самопроизвольно под действием видимого света .

Если в клетке, несмотря на осуществляемую репарацию, количе­ ство повреждений структуры ДНК остается высоким, в ней блокиру­ ются процессы репликации ДНК. Клетка перестает делиться, благо­ даря чему не передает возникшие изменения потомству .

Совместные действия ферментов репликации и ферментов репара­ ции обеспечивает достаточно низкую частоту ошибок в молекуле ДНК .

6.5. ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ГЕНА Вышеизложенные данные позволили сформулировать современ­ ную теорию гена:

1. Признаки и свойства организма определяются генами .

2. Ген (цистрон) - часть молекулы геномной нуклеиновой кислоРис. 6.4. Репарация ДНК:

а - фотореактивация; б - эксцизионная (темновая) репарация; в - пострепликативная (рекомбинативная) репарация (п о Ф. Ф огель, А. Мотульски, 1989) .

ты, число нуклеотидов в гене неодинаково .

3. Внутри гена может происходить рекомбинация и мутация .

4. Существуют структурные и функциональные гены .

5. Структурные гены контролируют синтез макромолекул (поли­ пептидов, тРНК, рРНК и белков) .

6. Функциональные гены контролируют деятельность структур­ ных генов .

7. Расположение триплетов в структурных генах колинеарно (соответствует) последовательности аминокислот в полипептиде .

8. Молекула ДНК, входящая в состав гена, способна к репарации .

9. Генотип, будучи дискретным, функционирует как единое целое .

6.6. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ Одним из разделов молекулярной генетики и молекулярной биоло­ гии, который приблизился к рубежу практических приложений, явля­ ется генная инженерия. Генная инженерия —сумма методов, позво­ ляющая переносить гены из одного организма в другой, или это технология направленного конструирования новых биологичес­ ких объектов. К генной инженерии принято относить следующие операции: синтез генов вне организма; выделение из клеток отдель­ ных генов или генетических структур (фрагментов хромосом, целых хромосом, ядер); направленную перестройку выделенных структур;

копирование и размножение выделенных генов или синтезированных генов или генетических структур; перенос и включение таких генов или генетических структур в подлежащий изменению геном; экспе­ риментальное соединение генов в одной клетке .

Для того, чтобы придать организму новое наследственное свой­ ство, необходимо ввести в него соответствующий ген (группу генов) и добиться его функционирования в соответствующих клетках, его подключения к их регуляторной системе. Решение такой задачи сред­ ствами генетической инженерии подразделяется натри этапа: 1) по­ лучение генетического материала (генов); 2) введение генетическо­ го материала в изменяемый организм; 3) включение внесенных генов в генетический аппарат клетки, закрепление их в ней. Рассмотрим эти этапы в отдельности .

Получение генетического материала. Генетический материал может быть получен путем его выделения из генома клеток, исполь­ зуемых в качестве доноров, или же путем синтеза. Синтез соответ­ ствующих образцов ДНК может быть осуществлен химическим пу­ тем или с помощью матричной РНК и специального фермента, назы­ ваемого обратной транскриптазой, или ревертазой. У бактерий гене­ тическая информация заключена не только в кольцевой молекуле ДНК, образующей бактериальную хромосому, но и в небольших кольцевых молекулах ДНК, содержащих всего несколько генов. Их называют плазмидами. Плазмидная ДНК сыграла одну из ключевых ролей в становлении и развитии генной инженерии. Нужный ген «в чистом виде» получают несколькими способами. Чаще всего его выделяют прямо из ДНК с помощью особых ферментов - рестриктаз, обратных транскриптаз, ревертаз, ДНК-зондов и лигаз. Рестриктазы представля­ ют собой своеобразные молекулярные «ножницы», а лигазы, напро­ тив, способны соединять в единое целое разрезанные фрагменты мо­ лекулы ДНК. С помощью этих ферментов можно удлинять концы фрагментов ДНК, удалять отдельные куски ДНК, разрезать ее точ­ но в том месте, где мы хотим. Обратную транскриптазу называют также РНК-зависимой ДНК-полимерозой, а термин ревертаза (от сло­ ва “реверс” - обратной ход) предложил биохимик В.А. Энгельгардт .

С помощью ДНК-зондов исследователи отыскивают нужный ген среди множества других .

Введение (перенос) генетического материала. Для этой цели могут быть использованы явления трансформации, трансдукции. конъ­ югации и гибридизации соматических клеток .

В генетическом отношении трансформация (лат. transformatio — преобразование) — изменение наследственных свойств клетки в результ ат е проникновения в нее чуж еродной ДН К; один из способов обмена генетическим материалом у прокариот. Впервые обнаружена в 1928 г. Ф. Гриффитом у пневмококков. При трансформа­ ции, гомологичные участки эндогенной ДНК, включающиеся в геном реципиента, передаются всем потомкам трансформированной клетки (рис. 6.5) .

Трансдукция (лат. transductio - перемещение) - способ пере­ дачи генет ического м ат ериала от одной бактерии (донора) другой (реципиент у) с помощью ум еренны х бактериофагов .

Открыта в 1952 г. Дж. Ледербергом и Н. Циндером при анализе причин изменения наследственны х признаков у некоторых бактерий (сальмонелл, шигелл, бацил и др.). При индукции профага происходит включение в зрелую фаговую частицу фрагмента бактериальной хро­ мосомы. Фаг, несущий генетический материал бактерии называют трансдуцирующим. При заражении трансдуцирующим фагом чувстви­ тельной бактерии фрагмент хромосомы донора переносится в клетку реципиента. Это естественный и распространенный среди микроор­ ганизмов процесс получения генетических рекомбинаций. Явление трансдукции широко используется в генетической инженерии микро­ бов, для которых такой способ переноса генов выработан самой природой (рис. 6.6) .

Конъюгация — процесс передачи генетической информации у бактерий при их контакте. При этом передача осуществляется лишь односторонняя от донора (“мужской” клетки) к реципиенту (“женской” клетке). Процесс конъюгации определяют особые плазмиды - фак­ торы фертильности. Содержащая плазмиду клетка приобретает свойства донора, а лишенная ее - свойства реципиента. Величина пе­ реносимого фрагмента определяется временем контакта клеток .

Клетка, передавшая фрагмент своей хромосомы, сохраняется без из­ менений, так как за счет редупликации ее ДНК восстанавливается .

Большой интерес представляют опыты по перенесению чужеродРис. 6.5. Трансформация бактерий штамма г в штамм S под влиянием (по Biological Science an inquiry into life, 1980) .

ного генетического материала посредством гибридизации соматичес­ ких клеток. Клетки растений, выращиваемые во взвешенном состоя­ нии в жидкой среде, освобождаются от своих оболочек под воздей­ ствием определенных энзимов, в результате получаются индивиду­ альные протопласты с диплоидным набором хромосом в ядре. Два протопласта различных видов могут сливаться, образуя гибридную соматическую клетку, обладающую диплоидными наборами хромо­ сом одного и другого вида. Затем гибридная клетка должна образо­ вать оболочку, а в результате ее деления будут формироваться до­ черние гибридные клетки. После этого из гибридной культуры можно получить целое растение, обладающее признаками обоих родителей .

Такова общая схема получения гибридов за счет объединения прото­ пластов (соматических клеток) разных видов растений .

Включение новых генов в генетический аппарат клетки .

Гены, перенесенные в клетки, не способны самостоятельно воспро­ изводить сами себя, а также передаваться потомкам этой клетки .

Но такие трудности могут быть преодолимы, если их предваритель­ но включить в состав генетической структуры, обладающей собствен­ ным аппаратом воспроизведения. Такая структура в генетической инженерии носит название вектора, или «переносчика». Вектор - цен­ тральная фигура во всех генно-инженерных манипуляциях. Это моле­ кула ДНК, которая способна переносить в клетку чужеродный ген и обеспечивать там его размножение, синтез белкового продукта и иногда внедрение в хромосому. В качестве векторов чаще всего ис­ пользуют бактериальные плазмиды, бактериофаги, вирусы животных .

Воспроизведение Включениие Д Н К исходной РепликацияД Н К бактерии, содержащей бактерии в хромосому генетический материал нотой бактерии исходной бактерии

Рис. 6.6. Трансдукция у бактерий (по Biological Science an inquiry into life, 1980) .

а также космиды - векторы, полученные путем объединения не­ больших фрагментов бактериофага и плазмид. Плазмиды — внехромосомные генетические элементы, способные существовать и раз­ множаться в бактериальной клетке автономно от геномной ДНК. Кос­ миды содержат гены, позволяющие им размножаться в бактерии .

Они позволяют получать гибридные молекулы с длиной вставки в 35-40 пар оснований. В качестве векторов животных и человека ис­ пользуются различные вирусы .

Развитие генной инженерии обусловило решение ряда фундамен­ тальных проблем биологии. В частности, было открыто мозаичное строение генов; расшифрована структура генов, кодирующих имму­ ноглобулины; осуществлен химический синтез ряда генов и т.д. Ген­ ная инженерия явилась теоретической основой биотехнологии - на­ правленного производства необходимых человеку продуктов и материалов с помощью биологических объектов и процессов. В медицинской биотехнологии можно выделить такие направления: мик­ робиологическое производство вакцин и сывороток; синтез гормонов, витаминов, ферментов, антибиотиков; диагностика генетических аномалий человека на ранних стадиях внутриутробного развития; ген­ ная хирургия, т.е. замена поврежденного гена полноценным и др .

6.7. БИОЭТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ

В соответствии с рекомендациями Европейского комитета по ген­ ной инженерии (1984) все исследования, проводимые по рекомбина­ ции ДНК, должны быть в обязательном порядке известны эксперт­ ной комиссии по генной инженерии тех стран, на территории которых они проводятся с тем, чтобы любую работу, грозящую опасностью человеку или среде обитания, можно было вовремя остановить или изменить. Большинство работ, связанных с клонированием челове­ ческого материала, по мнению большинства экспертов, должно быть запрещено. Работы по выращиванию химер и гибридов с помощью комбинаций генетического материала, полученного от человека и животных должны расцениваться как преступные. Пересадка ге­ нов с терапевтической целью допустима только для соматических клеток. Генная пересадка зародышевых клеток для иных целей, кро­ ме терапевтических, должна быть безусловно запрещена. Приме­ нение половых клеток для генного лечения будет возможно только после получения достоверных доказательств преимущества и бе­ зопасности такого лечения по сравнению с генной терапией сомати­ ческих клеток .

ГЛАВА VII. ХРОМОСОМНЫЙ И ГЕНОМНЫЙ

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОГО

МАТЕРИАЛА У ПРО- И ЭУКАРИОТ

Установление правил постоянства числа, парности, индивидуаль­ ности и непрерывности хромосом, сложное их поведение при созре­ вании половых клеток, при оплодотворении и раннем развитии заро­ дыша убедили исследователей в том, что хромосомы играют боль­ шую биологическую роль и имеют прямое отношение к передаче на­ следственных свойств, что и было доказано благодаря открытию хро­ мосомного определения пола, установлению групп сцепления генов, соответствующих числу хромосом, и построению генетических и цитологических карт хромосом .

Хромосомный уровень организации наследственного материала характеризуется морфо-функциональными особенностями хромосом .

У неклеточных форм жизни хромосома представлена голой нитью ДНК или РНК (у вирусов, бактериофагов), у прокариот - голой коль­ цевой молекулой ДНК, у эукариот - комплексом ДНК с кислыми и основными белками (гистонами) .

7.1. ГЕНЕТИКА ПОЛА Реальный вклад в изучение генетики пола внес в 1901-1902 гг .

американский ученый Ч. Мак-Кланг. Он доказал, что определяющей в формировании женского пола у клопа Protenor служит Х-хромосома. В 1902-1903 гг. ученик Ч. Мак-Кланга У. Сэттон показал, что по­ ведение Х-хромосом в гаметогенезе и при оплодотворении подчиня­ ется законам Г. Менделя. В 1959 г. были описаны женские организ­ мы с набором «ХО» и сделан вывод, что У-хромосома определяет мужской пол. Организм, содержащий одинаковые половые хромосо­ мы, называется гомогаметным, разные - гетерогаметным. Пол бу­ дущего организма зависит от сочетания половых хромосом в зиготе Р и с. 7.1. Н а с л е д о в а н и е п ол а у ч ел о в ек а ( п о Н.П. Д у б и н и н у, 19 6 3 ) .

при оплодотворении (рис. 7.1). У животных существует 4 варианта хромосомного определения пола по женской гомогаметности и гетерогаметности. При женской гомогаметности возможны варианты: XX, ХУ (у млекопитающих и человека), и XX, ХО (у клопов). В данном случае пол определяет мужской гетерогаметный организм. При жен­ ской гетерогаметности имеются следующие варианты: ZW, ZZ (у ба­ бочек) и ZO, ZZ (у птиц). Пол определяет женский гетерогаметный организм. Таким образом, согласно хромосомной теории формирова­ ние пола всегда зависит от гетерогаметного организма .

Однако, на формирование пола, кроме сочетания половых хромо­ сом, оказывает влияние баланс половых хромосом, так называемый «половой индекс». Балансовая теория пола была сформулирована К .

Бриджесом, Р. Гольдштейном в 1911 г., которые пришли к выводу, что у дрозофилы женский и мужской пол определяется не наличием двух Х-хромосом и ХУ -хромосом, а соотношением числа половых хромосом и набором аутосом. Гены женского организма сосредото­ чены, главным образом, в Х-хромосомах, а мужского - в аутосомах .

Если баланс Х:А = 1 - это самки, X: 2А = 0,5 - это самцы, баланс хромосом с отношением от 1 до 0,5 —интерсексы. Повышение ба­ ланса Зх : 2А = 1,5 ведет к формированию сверхсамок, а его сниже­ ние (X : ЗА = 0,33) - сверхсамцов .

Балансовая теория пола применима и к человеку. Нормальный баланс у женщины ХХ:44А. При изменении этого соотношения (ХО:44А), что характерно для больных синдромом ШерешевскогоТернера, наблюдается недоразвитие яичников, маточных труб, мат­ ки, нарушение процессов оогенеза, отсутствие менструального цик­ ла, и, вследствие этого, бесплодие.

У больных с трисомией X (XXX :

44А) может быть нарушено проявление вторичных половых призна­ ков. Баланс половых хромосом и аутосом у мужчин ХУ : 44А. У боль­ ных синдромом Клайнфельтера (ХХУ : 44А) не выражены вторич­ ные половые признаки, наблюдается гинекомастия (увеличение молочных желез), за счет склеротических изменений в семенниках нарушен сперматогенез, что приводит к бесплодию .

В 1949 г. М. Барр и Г. Бертрам показали, что в ядрах нервных кле­ ток женских особей млекопитающих у ядерной мембраны обнаружи­ вается глыбка интенсивно окрашивающегося хроматина, которая в яд­ рах клеток мужских особей, как правило, не выявляется. Эта глыбка получила название “тельца Барра” или “половой хроматин”. Оказалось, что тельце Барра представляет собой одну инактивированную Х-хромосому. В течение первых 16 дней эмбрионального развития в каждой клетке женского зародыша функционируют обе Х-хромосомы, благодаря чему в них вырабатывается вдвое больше, чем в соматических клетках мужских особей, белков, ферментов и других метаболитов, закодированных генами Х-хромосомы. Этот факт используется для объяснения большей жизнестойкости женских эмбрионов .

У человека и приматов ядерный половой диморфизм соматичес­ ких клеток устанавливается между 10-12 и 16-19 днями эмбриональ­ ного развития. Инактивация Х-хромосомы (материнской или отцовс­ кой), как только она произошла, сохраняется в ряду клеточных поко­ лений. Для объяснения мозаицизма отцовской (Х°) и материнской (Xм ) Х-хромосом, М. Лайон в 1961-1963 гг. предложила гипотезу (рис.

7.2), основные положения которой состоят в следующем:

- Х-хромосома женских клеток, образующая в интерфазном ядре половой хроматин, является генетически неактивной;

-инактивация материнской или отцовской Х-хромосомы происхо­ дит случайно и независимо в каждой отдельной клетке;

- у млекопитающих инактивация Х-хромосомы происходит в ран­ нем эмбриональном периоде развития;

- инактивация Х-хромосомы необратима: однажды возникнув, она передается всему потомству данной клетки .

В соматических клетках млекопитающих, независимо от числа имеющихся Х-хромосом, только одна Х-хромосома генетически ак­ тивна .

Признаки, контролируемые парами половых хромосом, получили название сцепленных с полом. Сцепленное с полом наследование было описано Т. Морганом на примере наследования признака окраски глаз Рис. 7.2. Схема инактивации одной Х-хромосомы у женского эмбриона (X м - материнская хромосома, Х° - отцовская хромосома) (по Р.Г. Заяц и соавт., 1998) .

у мушки дрозофилы, причем была констатирована передача призна­ ка от самца к дочерям, а от матери -- к сыновьям. У человека описа­ но свыше 60 заболеваний, сцепленных с полом, большинство из которых наследуется рецессивно .

Гены, находящиеся в половых хромосомах, можно разделить на три группы (рис. 7.3) .

1. Гены, расположенные в гомологичных локусах Х-хромосом, по­ лучили название частично сцепленных с полом. К заболеваниям, ча­ стично сцепленным с полом, относят геморрагический диатез, судо­ рожные расстройства, пигментный ретинит, пигментную ксеродерму, общую цветовую слепоту и др .

2. Гены, расположенные в участке Х-хромосомы, для которого нет в У-хромосоме гомологичного локуса, получили название полностью сцепленных с полом. К заболеваниям, контролируемым этими гена­ ми, относят атрофию зрительного нерва, мышечную дистрофию Дюшена, дальтонизм, гемофилию .

–  –  –

Ч-/

Рис. 7.3. Расположение генов, сцепленных с X - и Y -хромосомами:

чёрный фрагмент - гены, полностью сцепленны е с Х -хром осом ой; серый ф рагм ент гены, полностью сцепленны е с Y-хром осом ой; светлые фрагменты X - и Y- хр ом осо­ мы - гены, частично сцепленны е е полом (по Д ж. Нилл, У. Ш елл, 1958) .

3. Гены, расположенные в участке У-хромосомы, для которого нет гомологичного локуса в Х-хромосоме, получили название голандрических (греч. holos - весь, andros - мужчина). Они контролируют проявление синдактилии (греч. syn - вместе, daktylos - палец), ги­ пертрихоза (греч. hyper - сверх, trich o s- волос) ушной раковины, ichthiosis hystrix gravior (повышенное ороговение кожи, «человекдикобраз»),

7.2. СЦЕПЛЕНИЕ ГЕНОВ. ПРАВИЛО МОРГАНА Из принципов генетического анализа вытекает, что независимое комбинирование признаков может осуществляться лишь при условии, что гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах хро­ мосом. Следовательно, у каждого организма число пар признаков, по которым наблюдается независимое наследование, ограничено чис­ лом пар хромосом. С другой стороны, очевидно, что число признаков и свойств организма, контролируемых генами, чрезвычайно велико, а число пар хромосом у каждого вида относительно мало и постоянно .

Остается допустить, что в каждой хромосоме находится не один ген, а много. Если это так, то следует признать, что третье правило Мен­ деля касается только распределения хромосом, а не генов, т.е. его действие ограничено. Анализ проявления третьего правила показал, что в некоторых случаях новые комбинации генов у гибридов совсем отсутствовали, т.е. наблюдалось полное сцепление между генами ис­ ходных форм, и в фенотипе наблюдалось расщепление 1:1. В других случаях комбинации признаков отмечались с меньшей частотой, чем ожидаемые при независимом наследовании. Т. Морган, изучив все эти отклонения, предложил называть совместное наследование генов, ограничивающих их свободное комбинирование, сцеплением генов или сцепленным наследованием. Исследования Т. Моргана и его школы показали, что в гомологичной паре хромосом регулярно происходит обмен генами. Процесс обмена идентичными участками гомологич­ ных хромосом с содержащимися в них генами называют перекрес­ том хромосом или кроссинговером (рис. 7.4). К россинговер наблюдается в мейозе, и он обеспечивает новые сочетания генов, находящихся в гомологичных хромосомах. Явление кроссинговера, как и сцепление генов, характерно для животных, растений, микроорганизмов. Исключение составляют самцы дрозофилы и самки тутового шелкопряда. Кроссинговер обеспечивает рекомбинацию ге­ нов и тем самым значительно увеличивает роль комбинативной изменчивости в эволюции. О наличии кроссинговера можно судить Рис. 7.4.

Схема расщепления двух пар аллельных генов, локализованных в одной паре хромосом:

а - без кроссинговера; б - во время мейоза произошёл кроссинговер (п о К. Штерну, 1965) .

–  –  –

Соответственно организмы, возникающие от сочетания кроссо­ верных гамет, называют кроссоверами или рекомбинантами, а воз­ никшие от сочетания некроссоверных гамет - некроссоверными или нерекомбинантными. Явление кроссинговера. как и сцепление генов, можно рассмотреть в классическом опыте Т. Моргана по наследова­ нию признаков цвета тела и длины крыльев у дрозофилы, контролиру­ емых генами, расположенными в одной аутосоме. На рис. 7.5 пред­ ставлены результаты анализа наследования признаков окраски тела и формы крыльев у дрозофилы, а также их цитологическое обоснова­ ние .

Рис. 7.5. Наследование сцепленных признаков у дрозофилы (опытТ. Моргана) .

На основании сцепленного наследования Т.

Морган сформулиро­ вал тезис, вышедший в генетику под названием правила Моргана:

гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются сцепленно, причем сила сцепления зависши от расстояния между генами .

Изучение сцепленного наследования у человека затруднено. Тем не менее, можно назвать некоторые случаи сцепленного наследования .

1. Сцепленное наследование в 6-й хромосоме сублокусов А, В, С, D/DR системы HLA, контролирующих синтез антигенов гистосов­ местимости .

2. Сцепленное наследование в одной аутосоме локуса группы кро­ ви АВО и локуса синдрома дефектов ногтей и коленной чашечки .

3. Сцепленное наследование в другой аутосоме локуса резус-фак­ тора и локуса овальной формы эритроцитов .

4. Сцепленное наследование в третьей аутосоме локуса группы кро­ ви Лютеран и локуса секреции антигенов А и В со слюной .

5. В одной аутосоме сцеплены гены полидактилии и катаракты .

6. Наследование сцепленных в Х-хромосоме генов гемофилии и дальтонизма, а также генов цветовой слепоты и мышечной дистро­ фии Дюшена и др .

Т. Морган предложил выражать расстояние между генами в процентах кроссинговера между ними. По предложению А.С. Серебровского, расстояние между генами в 1% кроссинговера названоморганидой.

Для измерения расстояния между генами путем анализирую­ щего скрещивания можно применять формулу:

X = _а±в_. ю о п где: X - расстояние между генами в морганидах; а - количество особей первой кроссоверной группы; в —количество особей второй кроссоверной группы; п —общее количество гибридов в опыте; 100 коэффициент для перевода в проценты .

7.3. КАРТЫ ХРОМОСОМ По частоте кроссинговера между двумя генами можно судить об относительном расстоянии между ними. Правильность этих сообра­ жений можно проверить, определяя частоту перекреста между гена­ ми А и В и независимо от этого между генами В и С (рис. 7.6). Так если между генами А и В обнаружен перекрест в 10%, а расстояние между генами А и С равно 3% кроссинговера, то ген С находится либо между генами А и В, либо в противоположной стороне, т.е. ген А расположен между генами В и С. Если между генами В и С пере­ крест равен 7% кроссинговера, то на хромосоме гены расположатся в порядке А, В, С (рис. 7.7, верхняя схема). Если же расстояние между генами В и С равно 13% кроссинговера, то порядок генов будет С, А, В (рис. 7.7, нижняя схема). Следовательно, сцепленные гены распо­ ложены в хромосоме в линейном порядке, и частота кроссинговера между ними прямо пропорциональна расстоянию между ними. Одна­ ко этот тезис характерен только для близко лежащих друг к другу генов. В случае же относительно удаленных генов, наблюдается не­ которое отклонение от такой зависимости. Гены, находящиеся в од­ ной хромосоме и наследующиеся сцепленно, составляют группу сцеп­ ления. Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному на­ бору хромосом .

Зная частоту кроссинговера между сцепленными генами, можно составлять генетические карты. Генетическая карта хромосомы это условная линия, на которой указан порядок расположения генов по отношению друг к другу в процентах кроссинговера между ними. Для наиболее изученных в генетическом отношении организмов (дрозофила, кукуруза, нейроспора) составлены генетичес­ кие карты всех хромосом (рис. 7.7) .

После установления линейной дискретности хромосом возникла необходимость составления цитологических карт с целью их сопос­ тавления с генетическими, составленными на основе учета рекомби­ нации. Цитологическая карта—это карта хромосомы, на которой определяется расположение и относительное расстояние между генами в самой хромосоме. Построение цитологических карт хромо­ сом ведется на основании анализа хромосомных перестроек (трансло­ каций), политенных хромосом, метода дифференциальной окраски, ра­ диоактивной метки и др. (рис. 7.7). На сегодняшний день построены и сопоставлены генетические карты с цитологическими у дрозофил. Ре­ альность этого сопоставления подтверждает правильность принципа о линейном расположении генов в хромосоме. Для человека к настоящеР и с. 7.7. Г енетически е и цитологические карты хр ом осом (п о Н.Н.

Орлову, 1968):

а - генетическая карта Х -хром осом ы и соответствующ ая ей часть Х -хром осом ы из слю нной железы дрозоф илы ; б - локализация гена при помощ и метода метода д ел е­ ний: 1- часть двух конъю гирововш их хром осом из слю нной железы дрозоф илы ; 2 деления I; 3 - деления II; 4 - локализация гена d на основании I и II делеций; в - локус B A R в Х -хр ом осом е сл ю нн ой железы дрозофилы : 1 - норма; 2- удвоенный участок 16А у мутанта BA R ; 3 - утроенны й участок 16А у мутанта U LT R A BA R му времени составлены цитологические карты всех 23 хромосом, которые охватывают 32 тыс. структурных генов .

7.4. ПОЛОЖЕНИЯ ХРОМОСОМНОЙ ТЕОРИИ

НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Суммируя все вышеизложенное, можем сформулировать основ­ ные положения хромосомной теории наследственности .

1. Гены находятся в хромосомах. Каждая хромосома представля­ ет группу сцепления генов. Число групп сцепления у каждого вида равно числу пар хромосом .

2. Каждый ген в хромосоме занимает определенный локус. Гены в хромосомах расположены линейно .

3. Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллель­ ными генами .

4. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально числу кроссинговера между ними .

7.5. ГЕНОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ

НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА

Организация наследственного материала, представленного нукле­ иновыми кислотами, а также принципы записи генетической инфор­ мации у про- и эукариот свидетельствуют в пользу единства их про­ исхождения от общего предка .

Геном —совокупность всех генов гаплоидного набора хромо­ сом данного вида организма. Геномный уровень организации на­ следственного материала имеет свои особенности у про- и эукариот .

У вирусов геномная нуклеиновая кислота состоит целиком или по­ чти целиком из структурных генов .

В геноме бактерий подавляющее большинство генов уникальны, т.е. каждый содержится в хромосоме в единственном числе .

Исключением являются гены, кодирующие рРНК и тРНК. Эти гены повторяются в геноме бактерий по нескольку раз. Следует отметить определенное несоответствие между числом пар нуклеотидов в геноме бактерий и числом генов у них. Так, ДНК кишечной палочки содержит 3,8 млн. пар нуклеотидов. В то же время у этой бактерии известно около 1000 структурных генов, на которые приходится 1-1,5 млн. пар нуклеотидов. Остается предположить, что значительную часть ДНК в хромосоме бактерий составляют участки, функция которых пока не ясна. Спирализация ДНК в хромосоме прокариот значительно меньше, чем у эукариот .

Геном эукариот организован сложнее, ибо в нем большее число ге­ нов в геноме, большее количество ДНК в хромосомах, имеется очень сложная система контроля активности генов во времени и простран­ стве, связанная с дифференциацией клеток и тканей в онтогенезе орга­ низма. Количество ДНК в хромосомах велико и возрастает по мере эволюционного усложнения организмов. Для эукариот также характер­ на избыточность генома. Больше половины гаплоидного генома эукариотов составляют гены, представленные лишь по одному разу. У теленка таких уникальных генов 55%, у дрозофилы - 70% .

В ядре каждой соматической клетки человека 23 пары хромосом:

на каждую хромосому приходится по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул в одной клетке человека равна почти 2 м, количество нуклеотидных пар составляет 6,4 млрд., достаточное для образования более 4 млн. структурных генов, в то же время у человека имеется, по разным оценкам, только около 35 тыс., т.е. в 100 раз меньше, чем могло бы кодироваться геномом .

В 1990 г. для изучения генома человека была создана специальная международная программа “Геном человека” (“Human Genome Project”) - это один из самых дерзновенных, дорогостоящих и потенци­ ально важных проектов в истории цивилизации. Для решения этой задачи возник Международный консорциум, объединивший 20 лабораторий и сотни ученых во всем мире. Геном человека состоит из 6,4 млрд, пар нуклеотидов, запись которого была расшифрована к 2005 г.

Программа “Геном человека” была направлена на решение следующих основных задач:

- установление строения ДНК генома человека, т.е. определение последовательности всех нуклеотидов с разрешением в 1 основание;

-локализовать все гены организма и определить их функциональное значение .

В результате выполнения программы “Геном человека” было установлено, что у человека имеется 31 780 белок кодирующих генов .

Показано, что типичный ген человека состоит примерно из 28 000 нуклеотидных пар и имеет 8 экзонов, его кодирующая последователь­ ность 1340 нуклеотидных пар, кодирующая 447 аминокислоты. В геноме человека число генов, кодирующие белки, всего в 2 раза больше генов в геноме червя, мушки, растения. В целом на долю генов кодирующих белки, приходится 2% генома; на области кодирующие РНК - около 20% генома, повторяющиеся последова­ тельности занимают более 50% генома. Идентифицированы гены всех 320 часто встречающихся и 170 редких наследственных заболеваний, 30 рецессивных и более 100 доминантных онкогенов. Выделено 1400 генов, вовлеченных в развитие наследственных заболеваний .

Результаты выполения программы “Геном человека” помогут науке и медицине начать лечить заболевания, контролируемые дефект­ ными («больными») генами; решить проблему лекарственной непере­ носимости; создать генетическую энциклопедию, которая позволит понять биологические явления, связанные не только с человеком, но и наблюдающиеся у микроорганизмов, растений, животных .

Однако изучение генома каждого человека при массовых исследо­ ваниях таит опасность использования данных банка не по назначению и особенно в дискриминационных целях (увольнение с работы, нанесение морального ущерба и т.п.). Поэтому необходима разра­ ботка особых правовых норм по сохранению и неразглашению индивидуальных генетических данных .

7.6. ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

Хромосомная теория наследственности указывает на ведущую роль ядра в наследственности, но вместе с тем она не исключает суще­ ствования внехромосомных (внеядерных) форм наследственности, ко­ торые могут определяться теми или иными саморазмножающимися компонентами клетки. Такие формы наследственности, естественно, не могут подчиняться законам, установленным Г. Менделем .

Наследственность, при которой материальной основой на­ следования являются элементы цитоплазмы, получила название нехромосомной или цитоплазматической. Поскольку у животных и растений цитоплазмой богата яйцеклетка, а не сперматозоид, ци­ топлазматическое наследование, в отличие от хромосомного, должно осуществляться по материнской линии. Основоположниками цито­ плазматической наследственности были немецкие генетики Э. Баур и К. Корренс (1908), впервые описавшие ее на примере наследования признака пестрых листьев у ночной красавицы (рис. 7.8) .

Наследственные факторы, локализованные в цитоплазме и ее органеллах, обозначаются термином тазмотип или плазмон. Единица цитоплазматической наследственности, соответствующая гену хро­ мосомной наследственности, называется плазмогеном .

Установлено, что собственную ДНК имеют пластиды (пластидная ДНК), митохондрии (митохондриальная ДНК) и некоторые дру­ гие органеллы. Эти цитоплазматические структуры способны к ауто­ репродукции. С ними связаны механизмы передачи цитоплазмати­ ческой наследственности .

Пластиды - саморазмножающиеся органеллы, которые наследу­ ются потомками при половом размножении через цитоплазму яйце­ клеток. Поэтому особенности пластид наследуются только от мате­ ринского растения .

В митохондриях дрожжевых клеток обнаружены гены дыхатель­ ных ферментов. Показано, что эти гены расположены в кольцевой молекуле ДНК, находящейся в плазмидах .

В бактериальных клетках выделяют три типа плазмид: содержа­ щих половой фактор F, фактор R и фактор Col - колициногенный .

Бактерии обладающие половым фактором F, являются мужски­ ми. Во время конъюгации они образуют протоплазматический мостик, по которому фактор F переходит в женскую особь, которая впослед­ ствии становится мужской .

С фактором R связана устойчивость ряда патогенных видов бак­ терий к ряду антибиотиков. Плазмида с фактором R может пере­ мещаться при конъюгации из одной молекулы в другую и играть существенную роль в изменении наследственных свойств бактерий .

Плазмиды с фактором Col имеют гены, кодирующие особые бел­ ки - колицины. Последние убивают бактерии того же вида, но не со­ держащих этих плазмид .

Материальным субстратом цитоплазматической наследственно­ сти выступают гены ДНК пластид, митохондрий и какие-то пока не установленные факторы .

Рис. 7.8. Цитоплазматическая наследственность:

а - лист растения ночной красавицы; б - схем а случайного распределения белы х и зелёны х пластид при клеточном делении (по С. Correns, 1906, М.Е. Лобашову, 1967) .

7.7. СИСТЕМА ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА КЛЕТКИ

Система генетического аппарата клетки включает генотип ядра и плазмотип (плазмой) цитоплазмы. Генетический аппарат клетки дис­ кретен. В генотипе ядра он представлен хромосомами и генами, вхо­ дящими в состав хромосом, в плазмотипе цитоплазмы - плазмогенами, которые являются фрагментами пластидной и митохондриальной ДНК, а также пока неизвестными факторами .

Система генетического аппарата клетки Генотип (весь генетический материал клетки) Плазмой цитоплазмы Геном ядра Плазмогены Хромосомы Гены

ГЛАВА VIII. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ

ПРИЗНАКОВ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ГЕНОТИПА В

ФЕНОТИП

Наследование - способ передачи наследственной информации из поколения в поколение через гаметы при половом размножении и соматические клетки при бесполом .

В зависимости оттого, признак контролируется одним или несколь­ кими генами, различают два основных типа наследования: моногенное и полигенное. Поскольку гены могут быть локализованы в аутосомах или половых хромосомах, различают два основных варианта наследования - аутосомное и сцепленное с X- или Y-хромосомами .

По характеру проявления гена, наследование может идти по доминант­ ному или рецессивному пути .

8.1. МОНОГЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ При моногенном наследовании наследуемый признак контролиру­ ется только одним геном. Основные закономерности моногенного наследования были открыты Г. Менделем благодаря разработанно­ му им гибридологическому методу, суть которого определяется сле­ дующими положениями:

1. Проводится анализ наследования отдельных пар признаков в потомстве скрещиваемых двух организмов одного вида, отличаю­ щихся по одной, двум и трем парам контрастных альтернативных при­ знаков. В каждом поколении проводится учет отдельно по каждой паре альтернативных признаков без учета других различий между скрещиваемыми организмами .

2. Использование количественного учета гибридных организмов, различающихся по отдельным парам альтернативных признаков в ряду последовательных поколений .

3. Применение индивидуального анализа потомства от каждого гибридного организма .

Скрещивание, при котором родительские особи анализируются по одной паре альтернативных признаков, получило название моногибридного, по двум - ди гибридного, по нескольким - полигибридного .

При написании схемы скрещивания принято на первом месте ста­ вить женский организм, на втором - мужской (рис. 8.1). Скрещива­ ние обозначают знаком умножения (х). Родительские особи записы­ ваются в первой строчке и обозначаются буквой «Р» (лат. parens, parentis - родитель). Гаметы, которые образую т родители, записываются во второй строчке, а образующееся потомство - в третьей. Его называют гибридами и обозначают буквой «F» (лат. fillia дочь) с цифровым индексом, соответствующим порядковому номеру гибридного поколения. У гибрида ?! из пары альтернативных признаков развивается только один, второй признак не проявляется. В этом и заключается суть первого правила М енделя, которое можно сформулировать следующим образом: при скрещивании гомозигот­ ных особей, от личаю щ ихся друг от друга по одной паре альт ернат ивны х признаков, все гибриды первого поколения единообразны как по генотипу, так и по фенотипу. Первое правило получило название правила единообразия гибридов 1-го поколения или правила доминирования (рис. 8.1.а) .

На основании изучения гибридов 2-го поколения, Менделем было сформулировано второе правило, которое можно сформулировать сле­ дующим образом: при скрещивании двух гетерозиготных особей (т.е. гибридов), анализируемых по одной альтернативной паре признаков, в потомстве ожидается расщепление по фенотипу в отношении 3:1 и по генотипу 1:2:1. Это правило названо правилом расщепления (рис. 8.1.6). Для облегчения расчета сочетаний разных типов гамет английский генетик Р. Пеннет в 1906 г. предложил произ­ водить запись в виде решетки, которая вошла в литературу под название решетки Пеннета .

1 АидА aooa АА х с/аа Р 00 х 6 ВО Р: (р : ^

–  –  –

Для объяснения результатов 2-го правила Менделя, У. Бэтсон в 1902 г. выдвинул положение, вошедшее в генетику под названием ги­ потезы "чистоты гамет ”, которую можно сформулировать следу­ ющим образом: гены в гаметах у гибридов не гибридны, а чисты .

Гипотеза “чистоты гамет”, как и правила Менделя, служит класси­ ческой иллюстрацией философских категорий «причина и следствие» .

Причина не смешивания генов у гетерозигот кроется в том, что они находятся в локусах разных (хотя и гомологичных) хромосом, кото­ рые вследствие мейоза попадают в разные гаметы .

Для выяснения генотипа особи с доминантным признаком, прово­ дят так называемое анализирующее скрещивание, для чего неиз­ вестная особь скрещивается с рецессивной по данному признаку фор­ мой. Если все потомство окажется однородным, анализируемая особь гомозиготна по доминантной аллели, если же произошло расщепле­ ние 1 :1 - гетерозиготна .

При возврат ном анализирую щ ем скрещ ивании случаю т потомков с одним из родителей. Реципрокное анализирующее скрещивание применяют для изучения сцепления генов. При этом скрещивание проводят между двумя родительскими особями (АаВЬ и aabb). Вначале используют гетерозиготную материнскую особь и рецессивную гомозиготную отцовскую, а затем скрещивание проводят наоборот .

В моногибридных скрещиваниях было выяснено, что целый ряд признаков обнаруживает расщепление в потомстве гибрида F2 по фе­ нотипу в отношении 3:1. Для дигибридного скрещивания Мендель взял гомозиготные организмы, различающиеся одновременно по двум парам признаков. Гибриды первого поколения оказались единообраз­ ными по обоим доминантным признакам, а при анализе наследования признаков во втором поколении (F2) оказалось, что наблюдается независимое (свободное) комбинирование разных пар признаков. Этот вывод получил название третьего правила Менделя, которое можно сформулировать следующим образом: при скрещивании гомозигот­ ных особей, отличающихся двумя (или более) парами альтерна­ тивных признаков, во втором поколении отмечается независи­ мое комбинирование пар признаков в сочетаниях, не свойствен­ ных родительским и прародительским особям. В целях сокращения записи сходные фенотипы иногда обозначают фенотипическим радикалом — это дом инант ны е гены генот ипа организма, которые определяют его фенотип. Для третьего правила он будет 9А-В- : ЗА-вв : ЗааВ- : 1аавв .

Анализ наследования одной пары признаков в моногибридном скре­ щивании дает расщепление в F2 по фенотипу для каждой пары альтер­ нативных признаков 3:1, которое обеспечивается расхождением гомо­ логичных хромосом в мейозе. При полигибридном скрещивании по­ ведение разных пар альтернативных признаков в расщеплении по фе­ нотипу в F2 выражается формулой (3 + 1)", где п - число пар альтерна­ тивных признаков .

Как и всякие законы природы, правила Менделя могут проявлять­ ся лишь при определенных условиях, которые сводятся к следую­ щим положениям .

1. Равновероятное образование гибридами гамет всех сортов при моногибридном скрещивании .

2. Равновероятность всех возможных сочетаний гамет при опло­ дотворении .

3. Равная жизнеспособность зигот всех генотипов .

4. Полное проявление признака независимо от условий развития организма .

5. Нахождение учитываемых генов в негомологичных хромосо­ мах при ди- и полигибридном скрещиваниях .



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |



Похожие работы:

«Педагогико-психологические и медико-биологические проблемы физической культуры и спорта, №1(22) 2012 ISSN 2070 4798 УДК 377.5:37.032:796 СОДЕРЖАНИЕ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРАВОВОГО СОЗНАН...»

«Н А У Ч Н Ы Е ВЕД О М О СТ И Серия Естественные науки. 2012. № 3 (122). Выпуск 18 5 БИОЛОГИЯ УДК 581.81 : 582.681.81 ОСОБЕННОСТИ АНАТОМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ ТОПОЛЯ БЕЛОГО, ПРОИЗРАСТАЮЩЕГО В ЗАПАД...»

«1. Цели и задачи дисциплины: цель дисциплины "Биологическая и физколлоидная химия" состоит в том, чтобы дать студентам теоретические, методологические и практические знания, формирующие современную биохимическую основу для осв...»

«Содержание 1 Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе освоения ОПОП..3 2 Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования, описание шкал оценивания.5 3 Типовые...»

«УДК 663.813:614.3 Л.А. Петрова, М.С. Шереметьева РЫНОК И МОНИТОРИНГ БЕЗОПАСНОСТИ СОКОВОЙ ПРОДУКЦИИ Соки являются богатыми источниками сахаров (глюкозы, фруктозы, сахарозы), которые весьма важны в питании человека, так как легко усваиваются и выделяют значительное количество энергии. Основная ценност...»

«Хелена РУС Хелена РУС Хелена РУС Масс-спектрометрия в медицине Хелена РУС Хелена РУС Хелена РУС Хелена РУС Хелена РУС MALDI-TOF масс-спектрометрия Хелена РУС MALDI Biotyper – экспресс идентификация микроорганизмов • GENOLINK – генотипирование однонуклеотидных полиморфизмов • и оценка качества олигонуклеотидов CLINPROT – поиск пептидных м...»

«1 1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Программа составлена в соответствии с требованиям Федерального государственного образовательного стандарта основного общего образования. Предлагаемая программа соответствует положениям Федерального государственного образов...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Кафедра микробиологии, эпизоотологии и вирусологии Государственное управление ветери...»

«УДК 595.726 ХУДЯКОВА Надежда Ефремовна ПРЯМОКРЫЛЫЕ НАСЕКОМЫЕ (ORTHOPTERA) СЕВЕРНОГО АЛТАЯ (ФАУНА, СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА И ХАРАКТЕР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СООБЩЕСТВ) 03.00.09 Энтомология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук НОВОСИБИРСК...»

«Межгосударственная координационная водохозяйственная комиссия Центральной Азии (МКВК) Канадское агентство международного развития (CIDA) Университет МакГилл Центр Брейса по управлению водными ресурсами Международная комиссия по ирригации и дренажу Публикации Тре...»

«Жамурина Надеязда Алексеевна ПОПУНЯЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ДИК0РАСТУ1ДИХ ВИДОВ POPULUSL. НА ТЕРРИТОРИИ ОРЕНБУРГСКОГО ПРИУРАЛЬЯ 03.00.05.-ботаника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических н^к V V. Оренбург, 2006 Работ...»

«ПРИЛОЖЕНИЕ 12 к ООП СОО ФК ГОС МАОУ лицей г. Бор Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение лицей г. Бор Нижегородской области Рабочая программа по биологии 10-11класс г. Бор 2016 год Пояснительная записка Биология как учебный предмет...»

«Плосконос Мария Вячеславовна ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОЛИАМИНОВ В РЕПРОДУКТИВНОЙ ФУНКЦИИ МУЖЧИН В НОРМЕ И ПРИ ЕЁ НАРУШЕНИЯХ 03.00.13 -физиология Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук Астрахань 2004 Работа выполнена на кафедре общей и биоорганической химии Астраханской государственной...»

«1. Цель освоения дисциплины Целью изучения дисциплины является формирование у студентов навыков проведения хирургических операций на животных и умения осуществлять диагностику, разрабатывать лечение и меры предупреждения хирургических болезней, учитывая этиологию, патогенез, семиотику, прогноз при хирургической патологии, в общем, и п...»

«Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование. 2018. Том 4. № 1. С. 61-75 Леонид Александрович ШУМАН1 Екатерина Владимировна ЕФРЕМОВА2 Кристина Александровна ДЕДУЛЬ3 УДК 597.5: 6...»

«Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 8 июня 2015 г. N 20 Об утверждении СП 3.1.3263-15 Профилактика инфекционных заболеваний при эндоскопических вмешательствах В соответствии с Федеральным законом от 30 марта 1999 года N 52-ФЗ О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения (Собрание законодатель...»

«СЫСКОВА Тамара Геннадьевна ВЛИЯНИЕ  МИГРАЦИИ  НА  ЗАБОЛЕВАЕМОСТЬ НАСЕЛЕНИЯ  ПАРАЗИТАРНЫМИ  БОЛЕЗНЯМИ И РАЗРАБОТКА МЕР ПРОФИЛАКТИКИ 03.00.19  —  Паразитология 14.00.07  —Гигиена Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских нау...»

«СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2017, том 52, 2, с. 298-305 УДК 636.2+636.1]:636.082:591.463.1:576.08:547.78 doi: 10.15389/agrobiology.2017.2.298rus СВЕРХМАЛЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРОИЗВОДНЫХ БЕНЗИМИДАЗОЛА ПОВЫША...»

«Ответы на задание отборочного этапа Олимпиады "Ломоносов-2015" по биологии 5 – 9 классы Тестовая часть Разминочное задание состоит из одного вопроса, правильное решение которого оценивалось 2 баллами. После отправки разминочного задания было доступно основное задание. Основное задание открывается в любом случае: как...»

«СИЗОНЕШО ОЛЬГА ЮРЬЕВНА Р Г Б ОД с Ь Ш 2JQ0 СРАВНИТЕЛЬНО-АНАТОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНОЙ КСИЛЕМЫ КУСТАРНИКОВ И КУСТАРНИЧКОВ АРКТИЧЕСКОЙ ФЛОРЫ РОССИИ 03.00,05-БОТАНИКА АВТОРЕФЕРАТ диссертахщи на соискание ученой степени кандидата биологических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ Работа вьшолнена в отд...»

«СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2017, том 52, 2, с. 232-241 УДК 636.082:591.463.1:57.086/.087 doi: 10.15389/agrobiology.2017.2.232rus НОВЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА СПЕРМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ CASA (сomputer-assisted sperm analysis) K. СОЛЕР1, 2, A. ВАЛВЕРДЕ1, 3, Д. БОМПАРТ2, С. ФЕРЕЙДОНФАР2, M. САНЧО2, Х.Л. ЯНИЗ4, A. ГАРСИА-МО...»

«Приказ Минтруда России от 11.04.2014 N 233н Об утверждении профессионального стандарта Специалист по управлению жилищным фондом (Зарегистрировано в Минюсте России 03.07.2014 N 32945) Документ предоставлен КонсультантПлюс www.consultant.ru Дата сохранения: 11.03.2015 Приказ Минтруда России от 11.04.2014 N 233н Доку...»

«УДК 581.195.7:632.11/15 © 2009 Н. И. Шевякова, член-корреспондент НАН Украины Л. И. Мусатенко, Л. А. Стеценко, Н. П. Веденичева, Л. В. Войтенко, В. Ю. Ракитин, академик НАН Украины К. М. Сытник, член-корреспондент Рос. АН Вл. В. Кузнецов Влияние засоления на содержание пол...»

«1. Цель освоения дисциплины Целью изучения дисциплины является формирование у студентов навыков проведения хирургических операций на животных и умения осуществлять диагностику, разрабатывать лечение и меры предупреждения хирургических болезней, учитывая этиологию, патогенез, семиотику, прогноз при хирургической патологи...»

«УДК 615.32 МОРФОЛОГО-АНАТОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОДОВ ЛАБАЗНИКА ШЕСТИЛЕПЕСТНОГО (FILIPENDULA HEXAPETALA GILIB.) Сазанова К.Н., Шарипова С.Х., Рыжов В.М., Куркин В.А., Тарасенко Л.В. ГБОУ ВПО "Самарский государственный медицинский...»







 
2018 www.lit.i-docx.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.