Раздел 2. Цитологические основы наследственности.
Тема 2.1 Строение и функции клетки. Строение и функции хромосом.
1. Морфофункциональная организация клетки. Клеточная теория. Химический состав клетки.
2. Строение и функции мембраны, ядра и органоидов клетки.
3. Строение и функции хромосом человека.
4. Аутосомы и половые хромосомы.
5. Классификация хромосом.
6. Кариотип человека.
Все живые организмы состоят из клеток. Эволюция пошла двумя путями, создав организмы, не обладающие типичными клеточным ядром (прокариоты), и имеющие ядро (эукариоты). К прокариотам относят бактерии и сине-зеленые водоросли. Все остальные организмы (растения, грибы, животные) относятся к эукариотам. В ядре клетки локализованы молекулы ДНК. Ядро погружено в цитоплазму, в ней находятся органоиды, выполняющие разнообразные функции.
Организм человека состоит из 1015 клеток. Они образуют около 300 типов тканей, из которых состоят органы и системы. Однако именно клетка является важнейшей структурной и функциональной единицей, той ареной, на которой разыгрываются события, имеющие значение для судьбы организма в целом.
В результате микроскопических исследований в 19 в. постепенно сложилась клеточная теория. Наука, изучающая клетку – цитология. Первое описание клетки было сделано в 1665 г. англичанином Р. Гуком. Ботаник Шлейден и зоолог Шванн объединили идеи разных ученых и сформулировали клеточную теорию. В 1855 г. Р. Вирхов расширил эту теорию, добавив положение «каждая клетка из клетки».
Клетка является основной единицей биологической активности и основой строения живого организма. Клетки разных организмов и в разных тканях отличаются по размеру, форме, строению и функциям, однако общая схема строения клетки одинакова.
Основные положения современной клеточной теории:
1. Клетка представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Для того, чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию химических веществ, эта система должна быть физически отделена от своего окружения, и вместе с тем должна обладать способностью к обмену с этим окружением, т.е. способностью поглощать вещества, которые ей требуются, и выводить «отходы».
2. Клетка – элементарная единица развития живого организма. Каждая новая клетка образуется в результате деления исходной клетки. Все живые организмы развиваются из одной или группы клеток.
3. Клетка – структурная единица живых организмов. Все живые организмы, кроме вирусов и фагов, состоят из клеток. Клетки одноклеточных и многоклеточных животных и растительных организмов сходны по своему строению, химическому составу, принципам жизнедеятельности.
4. Клетка – функциональная единица в многоклеточном организме. В нем клетки специализируются на выполнении определенных функций, объединены в органы и ткани, функционально связанные системы. Различают соматические клетки – клетки тела и генеративные – половые клетки. Все живые организмы, благодаря присущему им первичному свойству наследственности сохраняют в ряду поколений характерные для них черты, т.е. воспроизводят себе подобных и передают эту преемственность из поколения в поколение в процессе размножения.
5. Клетка – живая элементарная система, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.
Строение клетки
| Часть клетки | Строение | Функции |
| 1. Клеточная мембрана. | Состоит из двойного слоя липидных молекул, гидрофильные части которых обращены к внешним сторонам, а гидрофобные – вовнутрь. Могут присутствовать молекулы белков. Имеются углеводы в виде гликопротеинов или гликолипидов. | А. отделяет клеточное содержимое от внешней среды. Б. регулирует обмен между клеткой и средой. В. обеспечивает постоянство внутриклеточного состава. Г. делит клетку на отсеки (компартменты), предназначенные для тех или иных специализированных метаболических путей. Д. Обладает избирательной проницаемостью. Е. защищает клетку от повреждений. Пассивный транспорт не требует затрат энергии и осуществляется путем простой диффузии, осмоса или с помощью белков-переносчиков. Активный транспорт – сопряженный с потреблением энергии перенос молекул или ионов через мембрану против градиентов концентрации. |
| 2. Цитоплазма. | Состоит из водянистого основного вещества и находящихся в нем структур. Основное вещество – бесцветная коллоидная масса, включающая раствор неорганических и органических веществ. Оно называется гиалоплазмой (матриксом). Состав: вода 85%, белки 10%, другие соединение 5%. | А. среда для биохимических процессов. Б. обеспечивает взаимосвязь между отдельными структурами клетки. |
| Органоиды – постоянные компоненты клетки, выполняющие специфические функции. | ||
| Эндоплазматический ретикулум. | Мембраны, образующие систему плоских разветвленных каналов, пронизывающих цитоплазму. Гладкий ЭПР – без рибосом. Шероховатый ЭПР – содержит рибосомы. | А. транспорт веществ по клетке и между соседними клетками. Б. синтез белков. |
| Митохондрии. | Крупные органоиды сферической или палочковидной формы. Состоят из 2 мембран и внутреннего содержимого – матрикса. Матрикс – гомогенное или тонкозернистое вещество, содержит молекулы ДНК, специфические РНК, ферменты, гранулы солей кальция и магния. Наружная мембрана гладкая, внутренняя – шероховатая. | А. выработка энергии в ходе окислительно-восстановительных процессов и накопление ее в виде АТФ. Б. Аэробное клеточное дыхание. |
| Рибосомы. | Субмикроскопические гранулы, расположенные на мембранах ЭПР или свободно в цитоплазме. Состоят из двух субъединиц – большой и малой. | Синтез белков организма. |
| Аппарат Гольджи. | Состоит из уплощенных дисковидных мембранных полостей и пузырьков, отделившихся от них. | А. накопление и химическая модификация продуктов клеточного обмена и поступивших извне веществ (в полостях). Б. транспорт веществ (в пузырьках) |
| Лизосомы. | Мембранные мешочки овальной формы. Содержат ферменты. | А. «Пищеварительная система клетки», расщепляют нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды. Б. Автолизис (самопереваривание). |
| Микротрубочки (микрофиламенты). | Тонкие полые цилиндрические трубочки, стенки которых построены из спирально упакованных глобулярных субъединиц белка. | А. формируют цитоскелет. Б. участвуют в различных внутриклеточных процессах. |
| Пероксисомы. | Тельца овальной формы, ограниченные мембраной, располагаются на обеих сторонах ЭПР. Внутри содержится гранулярный матрикс, в центре которого находятся кристаллоподобные структуры, состоящие из фибрилл и трубок. Содержимое – ферменты окисления аминокислот и каталаза. | Защитная функция (каталаза расщепляет токсичное вещество перекись водорода, образующуюся при метаболизме аминокислот. |
| Центросома (клеточный центр). | Состоит из двух центриолей, перпендикулярных друг другу. Центриоль – полый цилиндр, стенки которого образованы микротрубочками. | Формирование митотического веретена деления клетки. |
| 3. Ядро. | Шаровидная или яйцевидная форма. А. Хроматин – вещество, хорошо воспринимающее красители. Состоит из ДНК и белков. Во время митоза происходит максимальная конденсация хроматина с образованием хромосом. Б. Ядрышко – самая плотная структура ядра. В. Оболочка из двух мембран. Имеются поры. Г. содержимое ядра – нуклеоплазма (ядерный сок), гелеобразный матрикс. | А. Важнейшая структурная часть клетки. Является носителем наследственной информации и местом, где осуществляется ее функционирования и воспроизведение. Является регулятором всей жизнедеятельности клетки. Б. В ядрышке образуются рРНК и рибосомы. В. ядерная оболочка отделяет содержимое ядра от цитоплазмы, регулирует обмен веществ между ядром и клеткой |
Упаковка ДНК в хромосомах
Если всю длину ДНК одной клетки вытянуть в одну линию, то ее длина была бы 1,74 м. представленной в виде линии суммарной ДНК одного человека можно три раза обогнуть земной шар по экватору. Поэтому хромосомы ядер клеток должны представлять собой сильно конденсированные структуры ДНК. При конденсации происходит уменьшение продольных размеров молекулы ДНК в десятки тысяч раз за счет образования сверхспиралей ДНК.
У эукариотических клеток значительная часть ДНК окружена белками. Эти белки вместе с ДНК образуют комплексную структуру хроматин. В состав хроматина входят ДНК, белки гистоны (основные или щелочные белки), негистоновые белки и небольшое количество РНК. Гистоны богаты аргинином и лизином и (благодаря своему положительному заряду) образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на внешней стороне двойной спирали ДНК. Негистоновые белки включают много ферментов и участвуют в образовании длинных петель ДНК, прикрепленных к осевым поддерживающим белковым структурам.
1. В хромосоме ДНК с помощью гистонов упакована в специально регулярно повторяющиеся структуры – нуклеосомы. Так образуется структура, похожая на бусы, где каждая бусина – нуклеосома (диаметр около 10 нм). Нуклеосома – сегмент ДНК, навитый на белковую сердцевину, состоящую из 8 молекул белков-гистонов. Небольшой участок ДНК остается несвязанным с сердцевиной, он называется линкером. Первый нуклеосомный уровень компактизации ДНК увеличивает плотность упаковки ДНК в 6-7раз.
2. В следующий этап упаковки нуклеосомная структура хроматина вовлекается с помощью гистона, который связывается с линкерной частью ДНК и поверхностью нуклеосомы. Благодаря сложному взаимодействию всех компонентов возникает упорядоченная структура спирального типа, которую часто называют соленоидом (фибрилла 30 нм). Она повышает компактность ДНК еще в 40 раз.
3. Более высокие уровни компактизации ДНК в хроматине связаны с негистоновыми белками. Некоторые из них специфично связываются с определенными участками ДНК, в результате чего фибриллы хроматина в местах связывания ДНК с негистоновыми белками образуют петли.
Таким образом, более высокие уровни упаковки ДНК в составе хроматина обеспечиваются не спирализацией нитей хроматина, а образованием поперечной петлистой структуры вдоль хромосомы. Такой хроматин называют эухроматином. Это функционально активный хроматин, в нем содержится основное количество генов.
4. Дальнейшая упаковка хроматина ведет к переходу его в неактивное состояние с образованием гетерохроматина. Этот процесс связан со спирализацией групп петель и образованием из фибрилл хроматина розеткоподобных структур, называемых хромомерами. Участки ДНК, упакованные в виде гетерохроматина, могут иметь двоякую природу. Различают два типа гетерохроматина: факультативный и конститутивный (структурный). Факультативный гетерохроматин представляет собой участки генома, временно инактивированные (не работающие) в тех или иных клетках. Примером такого хроматина служит половой гетерохроматин инактивированной Х-хромосомы в соматических клетках женщин. Структурный гетерохроматин во всех клетках постоянно находится в неактивном состоянии и, вероятно, выполняет структурные или регуляторные функции.
Половой гетерохроматин
В соматических клетках женщин половой хроматин выявляется в виде гетерохроматина – небольшой хорошо окрашенной округлой структуры, находящийся возле ядерной мембраны. Половой хроматин называют также тельцем Барра, т.к. впервые он был описан этим ученым в нейронах кошки. Позже оказалось, что половой хроматин обнаружен в соматических клетках человека. Половой хроматин - это одна из Х-хромосом, которая находится в неактивном, суперспирализованном состоянии. Известно, что пол человека фенотипически определяется наличием или отсутствием У-хромосомы. Если в кариотипе зиготы присутствует У-хромосома, а количество Х-хромосом превышает 1, то по фенотипу образуется мужчина. Количество телец Барра в клетках всегда на одно меньше, чем число Х-хромосом. Т.е. только одна Х-хромосома в соматических клетках человека является активной.
По количеству телец Барра можно диагностировать хромосомные нарушения. Например, у женщин с кариотипом 47,ХХХ обнаруживается два тельца Барра, а с кариотипом 45,Х0 – ни одного. У мужчин с кариотипом 47,ХХУ – одно.