генетика. Лекция Введение. Молекулярные основы наследственности
 Скачать 238.64 Kb.
|
|
Процесс мейоза может нарушаться под влиянием различных внешних повреждающих факторов. Патология этого типа деления клеток обычно приводит к сбою в процессе распределения хромосом в гаметах. В зависимости от этого выделяют простое, последовательное и двойное нерасхождение. При простом нерасхождении происходит неправильное распределение хромосом по клеткам либо в первом, либо во втором делении мейоза. Если затрагивается мейоз I, то все зрелые гаметы будут иметь патологический набор хромосом (анеуплоидию). Патология мейоза II реализуется в изменение количества хромосом только части гамет. Последовательное нерасхождение затрагивает оба деления мейоза. В этом случае нормальные гаметы не образуются. Крайне редко мейоз повреждается у обоих родителей. В этих случаях регистрируется двойное нерасхождение. Выделяют следующие виды нерасхождений хромосом:
Сбалансированные изменения хромосом не нарушают состояние здоровья у человека, который имеет их в своем кариотипе. 1.4 Размножение на организменном уровне Гаметогенез– это процесс образования гамет - мужских и женских половых клеток. Яйцеклетки образуются в женских гонадах (яичниках) и имеют крупные размеры (от 60 мкм до нескольких сантиметров в диаметре), шарообразную или слегка вытянутую форму. Они неподвижны и содержат полный набор органоидов, индукторов и запас питательных веществ (желток). Яйцеклетки покрыты оболочкой, а у млекопитающих – и клетками фолликулярного эпителия (рис. 8, а). Сперматозоиды образуются в мужских гонадах (семенниках), имеют малые размеры (40-500 мкм длиной) и состоят из головки, шейки и хвоста. Они подвижны. На переднем конце головки расположена акросома (видоизмененный комплекс Гольджи), способствующая проникновению сперматозоида в яйцеклетку. Ядро занимает всю головку и окружено тонким слоем цитоплазмы. В шейке находятся центриоль и спиральная нить митохондрий, которые поставляют энергию для движения сперматозоида (рис. 8, б).
Гаметогенез характеризуется рядом важных биологических процессов. Сперматогенез (образование сперматозоидов) протекает в семенных канальцах. Наружный слой семенных канальцев представлен диплоиднымисперматогониями, которые начинают интенсивно делиться митотически с наступлением полового созревания организма. Эта зона семенника называетсязоной размножения. Часть сперматогоний вступает в следующую зону – зону роста. Здесь они превращаются в сперматоциты I порядка. Далее эти клетки вступают в зону созревания (ближе к центру канальца), где происходит мейоз. В результате его первого деления образуются 2 сперматоцита II порядка, а после второго – 4 сперматиды. Сперматиды переходят в зону формирования, где из них образуются сперматозоиды (рис. 9). Рис. 9. Схема гаметогенеза: 1 - сперматогоний; 2 - сперматоцит I порядка; 3 - сперматоцит II порядка; 4 - сперматида; 5 - сперматозоид; 1а - овогонии; 2а - овоцит I порядка; За - овоцит II порядка; 4а - овотида; 5а - яйцеклетка; 6а - редукционные тельца Овогенез (образование яйцеклеток) протекает в яичниках. Первичные клетки – диплоидные овогонии проходят периоды размножения и роста до рождения женского организма. У человека мейоз начинается на 2-4-м месяце эмбриогенеза. К моменту рождения мейоз останавливается на длительное время в стадии диакинеза (профаза мейоза I). В период полового созревания в первой половине каждого лунного месяца лютеинизирующий гормон стимулирует мейоз. Он идет до метафазы мейоза II и опять останавливается. Второе мейотическое деление завершается только после оплодотворения. В результате мейоза I из овоцитов I порядка образуются овоциты II порядка, а после мейоза II - овотиды, превращающиеся в яйцеклетки. При делении овоцита I порядка образуется один овоцит II порядка, содержащий основное количество цитоплазмы, и одно маленькое редукционное (направительное) тельце, которое в дальнейшем может разделиться еще раз. При делении овоцита II порядка также образуется редукционное тельце и одна овотида (яйцеклетка). Таким образом, в процессе овогенеза из одного овогония образуются 1 яйцеклетка и 3 редукционных тельца, которые в дальнейшем дегенерируют. При сперматогенезе из 1 сперматогония образуется 4 равноценных сперматозоида. 1.5 Особенности репродукции человека Особенности репродукции человека обусловлены его спецификой как биологического и социального существа. Способность к репродукции становится возможной с наступлением половой зрелости, признаками которой являются первые менструации у девочек (с 12-15 лет) и поллюции у мальчиков (с 16-18 лет). Репродуктивная способность у женщин сохраняется до 40-45 лет, у мужчин – до старости. Продуцирование гамет у человека в отличие от большинства животных не связано с сезонами года. С момента полового созревания яичник женщины периодически (один раз в лунный месяц) выделяет обычно одну яйцеклетку, созревающую из овоцитов, заложенных на ранних стадиях эмбриогенеза. За весь репродуктивный период у женщины образуется около 400 яйцеклеток. Чем старше женщина, тем больший отрезок времени разделяет мейоз I и мейоз II и тем выше вероятность нарушения нормального формирования яйцеклетки. Поэтому у женщин с возрастом повышается вероятность рождения детей с генетическими дефектами, особенно связанными с нерасхождением хромосом. Зрелый семенник мужчины непрерывно в течение всей жизни вырабатывает огромное количество сперматозоидов. Постоянное образование сперматозоидов практически не изменяет межмейотический отрезок времени. Однако способствует накоплению генных мутаций, в результате чего возраст отцов не влияет на частоту рождения детей с хромосомными болезнями, но способствует увеличению у потомства наследственной патологии, обусловленной генными мутациями. Репродукция человека зависит также от ряда социально-экономических факторов. Лекция 2. Цитологические основы наследственности. Деление клеток. Молекулярные основы наследственности 2.1 Нуклеиновые кислоты В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер впервые обнаружил, выделил из ядер клеток и описал ДНК. Но только в 1944 г. О. Эйвери, С. Маклеодом и М. Макарти бала доказана генетическая роль ДНК в передаче наследственной информации. Это открытие явилось мощным фактором, стимулирующим изучение наследственности на молекулярном уровне. С тех пор началось бурное развитие молекулярной биологии и генетики. Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – это природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах. В их состав входят: углерод (С), водород (Н), кислород (О), фосфор (Р). Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов. В состав каждого нуклеотида входят:
Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК, содержащая дезоксирибозу, и рибонуклеиновая кислота - РНК, содержащая рибозу. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержится в ядре клетки, иногда в органоидах: митохондриях, пластидах. ДНК - это полимерное соединение с постоянным содержанием в клетке. По своей структуре молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи, соединенные между собой и закрученные в форме двойной спирали (рис. 10). Ширина двойной спирали всего около 0,002 мкм, длина – до нескольких десятков и даже сотен микрометров. Нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, а на один виток спирали приходится 10 нуклеотидов. Молекулярная масса ДНК велика: она составляет десятки, и даже сотни миллионов. Основной структурной единицей одной цепи является нуклеотид, состоящий из азотистого основания, дезоксирибозы и фосфатной группы. ДНК содержит 4 вида азотистых оснований:
В 1951 г. Э. Чаргафф открыл явление комплементарности азотистых оснований в молекуле ДНК (правила Чаргаффа), показав, что количество аденина всегда равно количеству тимина (А=Т), а количество гуанина - количеству цитозина (Г=Ц). Сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований (А+Г=Т+Ц). В 1953 г. Дж. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс, основываясь на открытии Э. Чаргаффа, предложили модель структуры молекулы ДНК, представляющую собой двойную спираль. Таким образом, в начале 50-х годов XX в. было доказано, что материальной единицей наследственности и изменчивости является ген, который имеет определенную структурно-функциональную организацию.
Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, в котором в строго определенном порядке расположены нуклеотиды. Азотистые основания подходят друг к другу настолько близко (рис. 11), что между ними возникают водородные связи. Причем в их расположении проявляется важная закономерность: аденин (А) одной цепи связан с тимином (Т) другой цепи двумя водородными связями, а гуанин (Г) одной цепи связан тремя водородными связями с цитозином (Ц) другой цепи, в результате чего формируются пары А-Т и Г-Ц. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называетсякомплементарностью, т.е. пространственное и химическое соответствие между парами нуклеотидов (см. рис. 11). Последовательность соединения нуклеотидов одной цепи противоположна (комплементарна) другой, т. е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправлены, или антипараллельны. Цепи закручиваются вокруг друг друга и образуют двойную спираль. Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК и придает молекуле устойчивость, сохраняя в то же время ее подвижность – под влиянием ферментов она легко раскручивается (деспирализуется). Репликация (редупликация) ДНК– процесс самовоспроизведения (самоудвоения) макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению. Репликация ДНК происходит в период интерфазы перед клеточным делением (рис. 12). Материнская молекула ДНК (количество цепей ДНК в клетке равно 2с) под действием ферментов раскручивается с одного конца, а затем из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности на обеих цепях достраиваются дочерние полинуклеотидные цепи. В результате матричных реакций возникают две одинаковые по нуклеотидному составу дочерние молекулы ДНК, в которых одна из цепей старая материнская, а другая - новая, вновь синтезированная. Такой синтез ДНК называется полуконсервативным.
Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Но одновременное раскручивание спиралей, состоящих из огромного числа пар нуклеотидов невозможно. Поэтому репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном. Репликон обязательно имеет контролирующие элементы: точку начала, в которой инициируется репликация, и точку окончания, в которой репликация останавливается. Место, в котором происходит репликация, получило название репликационной вилки. В репликационной вилке ферменты ДНК раскручивают двойную цепочку ДНК, и разрывают водородные связи между ее цепочками. Репликационная вилка постепенно движется вдоль молекулы ДНК от ее стартовой точки (точки начала) до точки окончания. Так как ДНК-полимераза может двигаться только в одном направлении, то в каждой репликационной вилке она может постепенно и непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула ДНК по мере расплетания материнской молекулы синтезируется отдельными короткими участками по 150-200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки) под действием фермента ДНК-полимеразы, движущегося в противоположном направлении. Эти короткие участки вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи одного репликона «сшиваются» ферментом лигазой.Такой принцип синтеза новых цепей ДНК называется прерывистым. Ферменты ДНК скручивают нити реплицированных участков ДНК. Участки «дочерних» молекул ДНК, синтезированные в соседних репликонах, также «сшиваются» ферментом лигазой. Весь геном клетки реплицируется только один раз за период времени, соответствующий одному митотическому циклу. Функции ДНК.
Строение рибонуклеиновой кислоты (РНК).По своей структуре молекулы РНК менее крупные, чем молекулы ДНК с молекулярной массой от 20-30 тыс. (т-РНК) до 1 млн (р-РНК). РНК – одноцепочечная молекула, построенная так же, как и одна из цепей ДНК. Мономеры РНК - нуклеотиды состоят из азотистого основания, рибозы (углевод) и фосфатной группы. РНК содержит 4 азотистых основания, причем тимин заменен на близкий к нему по строению урацил (нуклеотид – уридиловый). Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь так же, как и в ДНК, за счет остатков фосфорных кислот, расположенных между рибозами. По месту нахождения в клеткесреди РНК выделяют: ядерные, цитоплазматические, митохондриальные, пластидные. По выполняемым функциямсреди РНК выделяют: транспортные, информационные и рибосомные. Транспортные РНК (т-РНК)– одноцепочные, но имеющие трехмерную структуру «клеверный лист», созданную внутримолекулярными водородными связями (рис. 13). Молекулы т-РНК – самые короткие. Состоят из 80-100 нуклеотидов. На их долю приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Они переносят активированные аминокислоты к рибосомам при биосинтезе белка вклетке.
Вся генетическая информация организма (структура его белков), заключена в его ДНК, состоящей из нуклеотидов, объединенных в гены. Ген – единица наследственной информации, содержащая информацию о структуре одного белка. Гены, обусловливающие свойства организмов, называютструктурными. А гены, которые регулируют проявление структурных генов, называют регуляторными. Реализация наследственной информации происходит следующим образом: ДНК (ген) транскрипция ►- и-РНК (копия гена)-транскрипция ► ► Белок Фермент (на рибосомах) —> Реакция в клетке —> —>Свойство или признак (фен) 2.2 Генетический код и его свойства Для осуществления экспрессии гена существует генетический код - строго упорядоченная зависимость между основаниями нуклеотидов и аминокислотами (табл. 3). Общепринятые сокращения названий аминокислот:
Таблица 3 Генетический код
Основные свойства генетического кода.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||