Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
Рис. 1.71 Клоновані телята. 114 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя лин від морозу. У бактерій, що утворюють симбіоз з коренями кукурудзи, були введені, гени (від інших бактерій), що кодують токсин для шкідливих комах. У природі існують бактерії, що можуть розще- пити будь яку органічну речовину. Бактерії відби- раються за здатністю розщеплювати певну речо- вину, а згодом ця здатність підсилюється внаслідок біотехнології. Таким шляхом були створені бактерії, які поїдають нафту, що розлилася внаслідок техно- генних катастроф. Бактерії використовують для бактеріального синтезу. Так, були реконструйовані бактерії для вироб- ництва амінокислоти фенілаланіну. Широке використання рекомбінантних бактерій у сільському господарстві, промисловості, захисті навколишнього середовища обмежувалося побою- ванням того, що такі бактерії можуть замінити при- родні мікроорганізми в екосистемах з виникненням несприятливих наслідків. На даний час розроблено методи визначення, виміру і навіть блокування діяль- ності цих клітин у навколишньому середовищі. Зручним об'єктом для генетичних маніпуляцій виявилися рослини, тому що рослинні клітини мож- на вирощувати в культурі, де із кожної клітини отри- мують цілу рослину. Ведуться роботи зі створення біоінженерних рос- лин, що могли б мати наступні властивості: 1) висо- ку пристосованість до умов зовнішнього середови- ща; 2) містити більшу кількість необхідних для лю- дини поживних речовин; 3) тривалий час зберігати- ся без псування. Розробляються трансгенні рослини, здатні про- дукувати в інтересах людини хімічні речовини й ліки. Реконструйовано картоплю для продукції альбумі- ну людини. Передбачається, що в майбутньому рослини зможуть утворювати у своїх насіннях такі білки, як гормони людини. Швидкими темпами розвивається біоінженерія тварин. Яйцеклітину поміщають у спеціальну мішал- ку разом з чужорідною ДНК і дрібними силікон кар бідними голками. Голки роблять множинні отворив оболонці, крізь які ДНК попадає в клітину. За до- помогою цієї технології бичачий гормон росту був введений у яйцеклітини багатьох видів тварин. Зав- дяки цій технології отримані великі риби, корови, свині, кролики, вівці. Трансгенні тварини створені для виробництва продуктів медичного значення. Рис. 1.72 Трансгенні миші. Ланцюговим інструментом для генетичних до- сліджень стали трансгенні миші (рис. 1.72). Вони дають важливу інформацію при плануванні генної терапії у людини. Вчені, що вивчають м'язову дис- трофію Дюшена, виділили ген і його продукт нор- мальний білок дистрофін, що відсутній у хворих. Зап- ропоновано спосіб забезпечення хворих дітей дис трофіном. Але що буде, якщо дистрофін потрапить в інші тканини, або його буде утворюватися занад- то багато? Для вирішення цих питань були створені трансгенні миші, ум язах яких міститься дистрофіну в 50 разів більше, а також відбувається продукція цього білка в інших тканинах. Дистрофін не викли- кає у таких мишей патологічних відхилень. Трансгенні миші виявилися вкрай необхідними при вивченні моногенних хвороб, злоякісних пухлин і навіть мультифакторіальних хвороб людини. Проте трансгенна технологія є неточною, тому що введення ДНК не спрямоване у визначений локус хромосоми. Ген, що переноситься, може пору- шити функцію іншого гена або потрапити під контроль інших генів. Навіть якщо трансген вставляєть- ся в хромосому й експресується, його ефект може бути перекритий таким же геном клітини хазяїна. Тому була розроблена технологія більш точного "на- цілювання" гена (gene targeting), при якій ген, що вводиться, займає місце свого двійника у хромосомі 115 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини клітини хазяїна. При цьому використовується природ- ний процес гомологічної рекомбінації. Внаслідок такої технології заміняють інактивованим геном активний гену мишей і простежують ефект його відсутності навіть в ембріона. Так вивчають функцію білків імун- ної системи, механізм взаємодії онкогенів у виник- ненні пухлини, розвиток генетичних захворювань. "Націлювання" гена складна методологія, вона не працює у заплідненій яйцеклітині ссавців. Ген можна впровадити тільки в клітини на ранніх ета- пах розвитку зародка, до його імплантації у стінку матки. Клітини такого зародка тотипотентні і бага- то генів у них ще не експресовані. "Націлювання" гена має велике значення при ство- ренні моделей генетичної патології у тварин. Важли- во те, що вчені ідентифікують версію людського апе- ля, який викликає хворобу у тварин. Потім відповід- ний людський мутантний алель переноситься в емб- ріональні стовбурові клітини і, нарешті, схрещують тварин, гомозиготних за інактивованим геном. Тварин з "виключеним" геном використовують у вивченні складних хворобу які задіяно багато генів. Так, наприклад, вивчають атеросклероз шляхом інактивації сполучення генів, продукти яких контролюють ліпідний метаболізм. Геном миші. Розшифровка геному людини в лютому 2001 року не дала відповіді на всі питання антропогенетики. Незважаючи на секвенування геному і визначення приблизної кількості генів, що ко- дують білки, функція більшості з них залишається невідомою. На даний час не ідентифіковано всі гени, що відповідають за розвиток спадкових хвороб і хвороб зі спадковою схильністю. Розшифровка геному миші, яку використовува- ли в лабораторних дослідженнях з 1900 р, у грудні 2002 року дала нові можливості для вивчення геному людини. Кількість генів миші складає 27000 30500, що при- близно відповідає кількості генів людини. Близько 99 % цих генів мають нуклеотидну послідовність, властиву людському геному і 96 % із них знаходяться в "син тенних" ділянках хромосом миші і людини. На даний час можливе виведення трансгенних мишей з точним "вимиканням" (делецією) генів, тіроводити аналіз змін фенотипу, що виникають внас- лідок цього, і згодом шукати подібні нуклеотидні по- слідовності в геномі людини. Це прискорить іден- тифікацію генів, що відповідають за розвиток пев- них нормальних і патологічних ознак у людини. Аналіз нуклеотидної послідовності миші дозволить точно "націлювати" гени людини у схожі нук- леотидні послідовності миші і створювати "людські" ознаки у лабораторних трансгенних мишах. Наприк- лад, включені в геном миші людські гени білків ци тохромів, що беруть участь у метаболізмі ліків, дозволять точно моделювати дію ліків. 116 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Питання для самоконтролю та обговорення 1. Що таке ген Які властивості гена Що таке цистрон? 2. Що таке триплет, кодон, антикодон? 3. Які кодони називають беззмістовними (нонсенс кодонами 4. З чого починається процес зчитування інфор- мації гена 5. Які ферменти беруть участь у дозріванні інформа- ційної РНК 6. Що таке геном , 7. З чого починається процес трансляції? 8. У чому полягають посттрансляційні перетворення білків? 9. Що таке оперон 10. Які функції гена оператора, промотора, терміна тора, регулятора, білка репресора в моделі оперона • 11. Що таке мобільні генетичні елементи? 12. У чому полягає суть явища трансформації і як вона відбувається? 13. Охарактеризуйте явище трансдукції і як вона відбу- вається? 14. Як відбувається кон'югація у бактерій? 15. Назвіть нуклеотиди у складі ДНК та РНК. 16. Який механізм реплікації ДНК 17. Вкажіть основні етапи реплікації ДНК. 18. Що таке темнова і світлова репарація ДНК 19. Які розрізняють форми репарації ДНК 20. Вкажіть функціональну характеристику гена. 21. Які функції виконує ген 22. У чому полягають особливості експресії генів у еукаріотів? Контрольно навчальні завдання 1. Що транспортують до рибосом тРНК? а) амінокислоти; б) АТФ в) іРНК; г) синтетази; д) іони металів. 2. Яку назву мають змістовні ділянки ДНК хромосома) мутони; б) рекони; в) екзони; г) інтрони; д) сайти. 3. З чого побудована молекула ДНК аз амінокислот; б) з гістонів; в) з нуклеосом; г) з ліпідів; д) з нуклеотидів. 4. Що таке триплет ДНК а) послідовність трьох нуклеотидів; б) азотиста основав) нуклеотид г) молекула нуклеїнової кислоти; д) локус хромосоми. 5. Послідовність триплетів нуклеотидів суворо відпові- дає послідовності амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Як називається така властивість генетичного коду а) колінеарність; б) триплетність; в) виродженість; г) неперекривність; д) універсальність. 6. Послідовність триплетів нуклеотидів суворо відпові- дає послідовності амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Як називається така властивість генетичного коду а) колінеарність; б) триплетність; в) виродженість; г) неперекривність; д) універсальність. 7. Для кожного рівня структури білка характерні певні види хімічних зв'язків. Який зв'язок забезпечує первинну структуру білка? а) дисульфідний; б) водневий; в) іонний; г) пептидний; д) ковалентний. 8. Для кожного рівня структури білка характерні певні види хімічних зв'язків. Який зв'язок забезпечує первинну структуру білка? а) дисульфідний; б) водневий; в) іонний; г) пептидний; д) ковалентний. 9. На структурних генах еукаріотів спочатку синтезуєть- ся молекула про іРНК, яка потім формується в іРНК. Як називається цей процес? а) трансляція; б) процесинг; в) термінація; г) сплайсинг; д) транскрипція. 117 Клітини організму зазнають дії різних шкідливих факторів, зношуються і старіють. Тому кожна окрема клітина в кінцевому результаті повинна загинути. Щоб організм продовжував жити, він повинен продукувати нові клітини з тією ж швидкістю, з якою гинуть старі. Тому поділ клітини це обов'язкова умова життя для всіх живих організмів. Одним з основних типів поділу клітин є мітоз. Мітоз це такий поділ ядра клітини, коли утворюються дві дочірні клітини з набором хромосом, який має материнська клітина. За поділом ядра проходить поділ цитоплазми. Мітотичний поділ призводить до збільшення числа клітин, що забезпечує процеси росту, регенерації і заміщення клітин у всіх вищих тва- рин і рослин. В одноклітинних організмів мітоз є механізмом безстатевого розмноження. Хромосоми виконують головну роль у процесі поділу клітин, оскільки забезпечують передачу спадкової інформації і беруть участь у регуляції метаболізму клітин. Послідовність процесів, які перебігають між утворенням клітини та її поділом на дочірні кліти- ни називають клітинним циклом. В інтерфазі циклу подвоюється кількість ДНК у хромосомах. Мітоз забезпечує генетичну стабільність наступних поколінь клітин. Організація клітин у часі 1 . 2 . 4 . 1 . Життєвий та клітинний цикли клітин, його можливі напрями та періодизація. 1.2.4.2. Способи поділу соматичних клітин (мітоз, амітоз). Зміни клітин та їх структур під час мітотичного циклу. 1.2.4.3. Ріст клітин, фактори росту. 1.2.4.4. Поняття про мітотичну активність тканин. 1.2.4.5. Порушення мітозу. 1.2.4.6. Соматичні мутації. 1.2.4.7. Життя клітин поза організмом, клонування клітин. Значення методу культури тканин для біології та медицини. 118 1.2.4 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя • можливі напрями • періодизація У житті клітини розрізняють життєвий цикл і клітинний цикл. Життєвий цикл значно довший це період від утворення клітини внаслідок поділу материнської клітини і до наступного поділу або до загибелі кліти ни. Впродовж життя клітини ростуть, диференцію ються, виконують специфічні функції. Клітинний цикл значно коротший. Це власне про цес підготовки до поділу (інтерфаза) і сам поділ (мітоз). Тому цей цикл називають ще мітотичним. Така періодизація (на життєвий і мітотичний цикл) досить умовна, оскільки життя клітини безперерв- ний, неподільний процес. Так, в ембріональний пері од, коли клітини швидко діляться, життєвий цикл співпадає з клітинним (мітотичним). Після диференці ювання клітин, коли кожна з них виконує специфічну функцію, життєвий цикл триваліший від мітотичного. Клітинний цикл складається з інтерфази, мітозу і цитокінезу (рис. 1.73). Тривалість клітинного циклу в різних організмів різна. Інтерфаза це підготовка клітини до поділу, на її частку припадає 90 % всього клітинного циклу. На цій стадії відбуваються найбільш активні мета- --лічні процеси. Ядро має гомогенний вигляд воно заповнено тонкою сіткою, яка складається з пере- --етених між собою досить довгих і тонких ниток хромонем. Ядро відповідної форми, оточене двоша ровою ядерною мембраною з порами діаметром близько 40 мкм. В інтерфазному ядрі проходить підготовка до поділу Інтерфазу поділяють на певні періоди: G 1 період, який передує реплікації ДНК S період реплікації ДНК G 2 період з моменту закінчення реплікації до початку мітозу. Тривалість кожного періоду можна визначити, скориставшись методом радіоавтографії. Пресинтетичний період (G 1 від. англ gap інтер вал)настає зразу за поділом. Тут відбуваються такі біохімічні процеси: синтез макромолекулярних спо лук необхідних для побудови хромосом і ахрома тинового апарату (ДНК, РНК, гістонів та інших • мітоз • амітоз • зміни клітин та їх структур під час мітотичного циклу Існує два основних способи поділу соматичних клітин: мітоз і амітоз. Мітоз (від грец. μίτος нитка) непрямий, або мітотичний поділ є переважаючим типом поділу еука ріотичних соматичних клітин і притаманний всім ба- гатоклітинним організмам. При цьому відбувається точний рівномірний розподіл спадкового матеріалу. Внаслідок мітозу кожна дочірня клітина отримує пов- ний набір хромосом із строгою кількістю ДНК і за їх складом ідентична материнській клітині. Амітоз (від грец. ά заперечення і μίτος нитка) переважає у деяких одноклітинних організмів. Це також спосіб поділу соматичних клітин, але на відміну від мітозу, прямий поділ інтерфазного ядра клітини відбувається шляхом перетяжки простою перетинкою. При амітозі розподіл спадкового ма- теріалу між дочірніми клітинами може бути рівно 119 1.2.4.1 Життєвий та клітинний цикли клітин білків), зростає кількість рибосом і мітохондрій, відбувається накопичення енергетичного матеріа- лу для здійснення структурних перебудов і склад- них рухів під час поділу. Клітина інтенсивно росте і може виконувати свою функцію. Набір генетично- го матеріалу буде пс. У синтетичному періоді (S) подвоюється ДНК, кожна хромосома внаслідок реплікації створює собі подібну структуру. Проходить синтез РНК і білків, мітотичного апарату і точне подвоєння центріоль. Вони розходяться в різні боки, утворюючи два по- люси. Набір генетичного матеріалу складає пс. Далі настає післясинтетичний період (G 2 ) клітина запасається енергією. Синтезуються білки ахроматинового веретена, йде підготовка до міто- зу. Генетичний матеріал складає пс. Після досягнення клітиною певного стану нако- пичення білків, подвоєння кількості ДНК та ін. вона готова до поділу мітозу. 1.2.4.2 Способи поділу соматичних клітин Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.73 Клітинний цикл. мірним або нерівномірним. Внаслідок цього утво- рюються або однакові, або неоднакові за розміром клітини. Тому такі клітини спадково неповноцінні. Мітоз. Мітоз настає після інтерфази і умовно поділяється на такі фази: 1) профаза, 2) метафаза, 3) анафаза, 4) телофаза. На рис. 1.74. наведена загальна схема різних фаз мітозу. Профаза (від. грец. πρα до, і грец. φάσις поява) початкова фаза мітозу. Характеризується тим, що ядро збільшується в розмірах, і з хромати нової сітки, в результаті спіралізації і вкорочення, хромосоми з довгих, тонких, невидимих ниток на- прикінці профази стають короткими, товстими і роз- міщуються у вигляді видимого клубка. Хромосоми скорочуються, стовщуються і складаються з двох половинок хроматид. Хроматиди обвиваються одна навколо одної, утримуються попарно за допо- могою центромери. Профаза завершується зникнен- ням ядерця, центріолі розходяться до полюсів з ут- воренням фігури веретена. З білка тубуліну форму- ються мікротрубочки нитки веретена. Внаслідок розчинення ядерної мембрани хромосоми розміщу- ються в цитоплазмі. До центромер прикріплюють- ся нитки веретена з обох полюсів. Метафаза (від грец. μετά між, після) розпо- чинається рухом хромосому напрямку до еквато- ра. Поступово хромосоми (кожна складається з двох хроматид) розміщуються у площині екватора, ут- ворюють так звану метафазну пластинку. У тва- ринних клітинах на полюсах навколо центріоль помітні зірчастоподібні фігури. У цій фазі можна підрахувати число хромосому клітині. Набір гене- тичного матеріалу становить пс. Метафазну пластинку використовують у цито генетичних дослідженнях для визначення числа і форми хромосом. В анафазі (від грец. άνά вверх) сестринські хроматиди відходять одна від одної, розділяється з'єднуюча їх центромерна ділянка. Всі центромери діляться одночасно. Кожна хроматида з окремою центромерою стає дочірньою хромосомою і по нитках веретена починає рухатися до одного з полюсів. Набір генетичного матеріалу складає пс. Телофаза (від. грец. τέλος кінець) заключна стадія мітозу. Зворотна відносно профази. Хромо- соми, які досягли полюсів, складаються з однієї нитки, стають тонкими, довгими і невидимими у світло- вий мікроскоп. Вони зазнають деспіралізації, утво- рюють сітку інтерфазного ядра. Формується ядер- на оболонка, з'являється ядерце. У цей час зникає мітотичний апарат і відбувається цитокінез роз- ділення цитоплазми з утворенням двох дочірніх клітин. Набір генетичного матеріалу складає пс. Частота мітозу в різних тканинах та в різних організмах різко відмінна. Наприклад, у червоному кістковому мозку людини щосекунди відбувається 10 млн. мітозів. На даний час точно не відомо, які фактори спо- нукають клітину до мітозу, але вважають, що в цьо- му суттєву роль відіграє співвідношення об'ємів ядра і цитоплазми (ядерно цитоплазматичне спів- відношення). Збільшення об'єму клітини пов'язане із синтезом білків, нуклеїнових кислот, ліпідів та інших хімічних компонентів клітини. Тому настає момент, коли поверхня ядра є недостатньою для за- безпечення обміну речовин між ядром та цитоплазмою, необхідних для подальшого росту. Поділ кліти- ни значно збільшує поверхню як самої клітини, так і її ядра, не збільшуючи при цьому їх об'єму; тому вважають, що фактор, який обмежує ядерно цито- плазматичне співвідношення, якимось чином спо- нукає клітину до мітотичного поділу. 120 1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Рис 1.74 Схема мітозу: 1 центріоля; 2 ядерце; 3 хромосоми; 4 рання профаза; 5 пізняпрофаза; 6 метафаза; 7 ранняанафаза; 8 пізня анафаза 9 рання телофаза. Біологічне значення мітозу. Мітоз — найбільш поширений спосіб репродукції клітин тварин, рослин, найпростіших. Це основа росту і вегетативного роз- множення всіх еукаріотів організмів, які мають ядро. Основна його роль полягає уточному відтво- ренні клітин, забезпеченні рівномірного розподілу хромосом материнської клітини між виникаючими з неї двома дочірніми клітинами і підтриманні ста- лості числа і форми хромосому всіх клітинах рос- лин і тварин. Мітоз сприяє росту організму в ембр- іональному і постембріональному періодах, копію- ванню генетичної інформації і утворенню генетич- но рівноцінних клітин. Тому організми, які розмно- жуються вегетативно (гриби, водорості, найпрос- тіші, багато рослин) утворюють велику кількість ідентичних особин, або клонів. Клонування можли- ве в деяких багатоклітинних, здатних відновлюва- ти цілий організм із частини тіла: кишковопорожнин них, червів. Клонування хребетних відбувається тільки на ранніх стадіях ембріогенезу. Так, у тва- рин і людини утворюються монозиготні близнюки з однієї заплідненої яйцеклітини внаслідок її мітотич- ного розділення. За рахунок мітозу всі функціональ- но застарілі клітини організму замінюються нови- ми. Цей поділ лежить в основі процесу регенерації відновлення втрачених тканин. Амітоз. Амітоз відбувається шляхом поділу ядра, а згодом і цитоплазми. Під час амітозу ядер- це видовжується, перешнуровується, а потім витя- гується і ядро. У деяких випадках в ядрі виникає перегородка, що ділить його на дві частини. Поділ ядра іноді супроводжується поділом цитоплазми рис. 1.75). Розрізняють кілька форм амітозу: рівномірний, коли утворюється два рівних ядра нерівномірний, коли утворюються нерівні ядра фрагментація, коли ядро розпадається на багато дрібних ядер однако- вої або різної величини. Таким чином, амітоз це поділ, що відбувається без спіралізації хромосом і без утворення веретена поділу. Чи відбувається попередній синтез ДНК перед початком амітозу і як вона розподіляється між дочірніми ядрами невідомо. Іноді при поділі пев- них клітин мітоз чергується з амітозом. 121 |