Основные этапы развития генетики человека
1900 г. – начало бурного развития генетики как науки – вторичное открытие законов Менделя тремя учеными независимо друг от друга: де Фриз (Голландия), Корренс (Австрия), Чермак (Германия).
Г. Мендель открыл закономерности наследования признаков в 1865 г. и опубликовал на немецком языке в трудах общества естествоиспытателей по названием «Опыты над растительными гибридами».
1900 – 1930 гг. – классический период развития генетики (этап менделизма и хромосомной теории наследственности).
1930 – 1940 гг. – период индуцированного мутагенеза (получение мутаций с помощью радиации и химических веществ).
1940-1953 – 2000 гг. – период молекулярной генетики (изучение структуры и функциональной природы молекул ДНК).
1953 г. – Уотсон и Крик расшифровали структуру молекулы ДНК.
2000 г. – полностью расшифрован генетический код человека – он полностью может быть записан с помощью химических формул.
после 2000 г. – современный этап – основное направление – структурно-системное познание глубинной сущности гена.
Цитогенетический метод
Проводится при подозрении нa хромосомную болезнь. Задачи:
– идентифицировать перестроенную хромосому;
– установить тип хромосомной перестройки.
препараты хромосом человека можно приготовить из фибробласток кожи, костного мозга, но наиболее доступной при таких исследованиях является культура лимфоцитов периферической крови (кровь помещают в специальную среду с веществами стимулирующими рост и клеточное деление, затем добавляют колхицин, что приводит к остановке митоза на стадии метафазы, в которой хромосомы мах спирализированы).
Генеалогический метод (метод родословных)
Предложен Гальтоном в 1865 г. Задачи метода:
– установления наследственного характера болезни;
– определения типа ее наследования;
– изучение сцепления болезни с различными генетическими маркерами.
Методика составления родословной
1. Сбор родословной начинается с пробанда – больного ребенка (человека). Если это взрослый сразу собирают информацию о его детях, затем братьях и сестрах (сибсах) с учетом последовательности беременностей у матери и их сходах.
2. Сбор сведений обо всех кровных родственниках по материнской линии.
3. Сбор сведений обо всех кровных родственниках по отцовской линии.
Биохимический метод
применяют при подозрении на врожденные дефекты обмена. Применяют их в 2 этапа:
– скринирующие экспресс-методы, позволяющие обследовать большие группы населения (например, микробиологический тест Гатри (как вариант тест Фелинга) для обследования всех новорожденных на фенилкетонурию;
– более сложные методы биохимии и молекулярной биологии – методы фракционирования и количественного анализа, жидкостной и газовой хромотографии.
Близнецовый метод
Предложен Гальтоном в 1876 г. Задачи метода:
– установить роль наследственности и среды в фенотипическом разнообразии различных признаков у человека.
Этапы реализации метода:
1. Сбор близнецового материала и диагностика зиготности (метод «сходства-подобия», по эритроцитарным и лейкоцитарным маркерам, ДНК- диагностика).
2. Анализ близнецовых данных.
Установление коэффициента парной конкордантности, который указывает на относительное число пар, в которых оба партнера несут изучаемый признак. Вычисляется отдельно для МЗ и ДЗ близнецов.
К= С/ С+Д
С – число конкордантных пар (сходных);
Д – число дисконкордантных пар (различающихся).
К выражается либо в долях еденицы, либо в процентах
Далее вычисляют долю наследственной обусловленности признака – наследуемость (Н), которая также выражается в процентах или долях еденицы.
Н= К МЗ– К ДЗ / 1 (или 100 если в %) – К ДЗ
К МЗ и К ДЗ – коэффициенты парной конкордантности МЗ и ДЗ близнецов.
1– 0,7 – признак (болезнь) детерменируется генетическими факторами
0,4 – 0,7 – болезнь с наследственной предрасположенностью, реализующаяся под влиянием средовых факторов.
0 – 0,4 – болезнь, возникшая под влиянием окружающей среды.
Строение и функции белка
Белки играют важнейшую роль в жизнедеятельности любых организмов.. Каждый белок имеет свою уникальную функцию, которая определяется присущими ему структурой и химическими свойствами. Некоторые белки являются ферментами, т.е. катализаторами биохимических реакций в живых организмах.. Другие белки – структурные – выполняют в организме роль строительных белков. Некоторые белки, вовлеченные в систему запаса и транспорта кислорода, связываются с функционально важными металлосодержащими органическими молекулами. Белки – это большие полимерные молекулы, построенные из мономерных аминокислотных звеньев. В состав белков входят двадцать различных видов аминокислот. Все белковые аминокислоты (за исключением пролина) характеризуются общей структурой (рис. 1), обязательными элементами которой являются: аминогруппа, карбоксильная группа, водород и какой-либо радикал.
| |||||
| Рис. 1 Структурная формула аминокислот. NH2 – аминогруппа; COOH – карбоксильная группа; (H – атом водорода); радикал R – боковая группа. |
Аминокислоты в белках связаны между собой прочными ковалентными пептидными связями, возникающими между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой следующей кислоты. Образующийся в результате такого взаимодействия олигомер называют пептидом. Аминокислоты, входящие в состав пептида часто называют аминокислотными остатками (табл.1). Структурную основу любого пептида составляет зигзагообразный остов, образованный атомами углерода и азота.
6 Структурная модель ДНК Дж. Уотсона и Ф. Крика
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических клетках. Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в 1953 г. Дж. Уотсоном и Френсисом Криком. Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые образуют правую спираль (винтовую линию) относительно одной и той же оси. Направление цепей взаимно противоположное. Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого является нуклеотид.
Нуклеотид состоит из: азотистого основания: пуринового – аденин (А) или гуанин (Г) или пиримидинового – цитозин (Ц) или тимин (Т); углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо); остатка фосфорной кислоты (НРО3*).
Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360о, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 о вокруг спирали относительно следующей пары. Сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри и их плоскости перпендикулярны оси спирали (рис. 2). Между основаниями образуются специфические водородные связи, в результате чего осуществляетсяся так называемое уотсон–криковское спаривание. Аденин всегда образует водородные связи с тимином, а гуанин с цитозином. Такая закономерность называется комплементарностью. Комплементарность это определенная последовательностей оснований в противоположных цепях ДНК. Данная закономерность очень важна для репликации ДНК.
7 РНК – рибонуклеиновая кислота, имеет много общего со структурой ДНК, но отличается рядом признаков:
- углеводом РНК является рибоза (рис.5);
- вместо тимина РНК содержит урацил (рис.6)№;
- РНК – одноцепочечная молекула
РНКбывают разных типов: информационная или матричная (мРНК), транспортная (тРНК), рибосомальная (рРНК), в ядре клеток эукариот содержится гетерогенная ядерная (гяРНК). Матричная РНК является копией (транскриптом) соответствующей ДНК..
Молекулы транспортной РНК (рис.7) узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) и переносят нужную аминокислоту к растущей полипептидной цепи. Узнавание кодона в мРНК осуществляется с помощью трех последовательных оснований в тРНК, называемых антикодонами. Аминокислотный остаток может присоединяться к 3’-концу молекулы тРНК. Считают, что для каждой аминокислоты имеется, по крайней мере, одна тРНК. Молекула тРНК содержит около 75 нуклеотидов, ковалентно связанных друг с другом в линейную цепочку. Эту структуру называют «клеверным листом».
8. Генетический код. Свойства генетического кода
Генетический код – единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего из четырех букв А, Т, Ц, Г, соответствующих нуклеотидам ДНК. Наименьшая возможная длина «слова», определяющая аминокислоту, состоит из трех нуклеотидов (число возможных триплетов равно 43=64). Из 64 кодонов три – УАА, УАГ, УГА – не кодируют аминокислот, они были названы нонсенс-кодонами. Позднее было показано, что они являются терминирующими кодонами (ТК) (табл.2).
Свойства генетического кода:
· Генетический код триплетен. Триплет (кодон) – последовательность трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.
· Вырожденность генетического кода обусловлена тем, что одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.исключение-метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Три триплета ТК– это стоп-сигналы, прекращающие синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), выполняет функцию инициирования (возбуждения) считывания и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК.
· Однозначность – каждому данному кодону соответствует одна и только одна определенная аминокислота.
· Код не перекрывается, В коде отсутствуют запятые, т.е. нет знаков, отделяющих один кодон от другого.
· Генетический код универсален, т.е. вся информация в ядерных генах для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (например, бабочка, ромашка, рак, лягушка, удав, орел, человек), кодируется одинаково.
9 Репликация ДНК
Репликацией или редупликацией (удвоением) ДНК называют ее синтез. Основное функциональное значение процесса репликации ДНК заключается в снабжении потомства генетической информацией, которая должна передаваться полностью и с высокой точностью. Репликация ДНК происходящее в синтетическую (S) стадию интерфазы перед каждым делением клетки. Информация, необходимая для репликации ДНК, заложена в ее структуре. Поскольку нити ДНК комплементарны друг другу, т.е. основания в парах дополняют друг друга, каждая цепь автоматически поставляет информацию для образования дочерней цепи (рис. 8).
Такой тип репликации называется полуконсервативным. При этом две нити ДНК расплетаются (как застежка-молния) и каждая цепь служит матрицей для образования новой. При репликации молекула ДНК постепенно разделяется специальным ферментом на две половины в продольном направлении. По мере того, как открываются нуклеотиды разделяемой молекулы, к ним достраиваются свободные нуклеотиды, ранее синтезированные в цитоплазме. В итоге каждая половинная спираль снова становиться целой. Таким образом, дочерние клетки первого поколения получают одну цепь ДНК от родителей, а вторая является вновь синтезированной. Такой же процесс повторяется при образовании дочерних клеток 2-го поколения из клеток первого поколения. И только две из четырех дочерних клеток второго поколения содержат по одной родительской цепи ДНК. Остальные две дочерние клетки имеют вновь синтезированные молекулы
Структура, которая образуется во время репликации, называется репликативной вилкой (рис.9). Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Этот фермент присоединяет комплементарный нуклеотид к матричной цепи. Например, к нуклеотиду А матричной цепи полимераза присоединяет нуклеотид Т, и соответственно, к нуклеотиду Г – нуклеотид Ц. Фермент способен наращивать ДНК только на 3΄– конце. Поскольку молекула ДНК антипараллельна, разные ее концы называются 3΄-конец и 5΄- конец. При синтезе новых копий на каждой нити одна новая нить удлиняется в направлении от 5΄ к 3΄, а другая – в направлении от 3΄ к 5-концу. Однако 5΄ конец ДНК-полимераза наращивать не может. Поэтому синтез одной нити ДНК, той, которая растет в "удобном" для фермента направлении, идет непрерывно (она называется лидирующая или ведущая нить), а синтез другой нити осуществляется короткими фрагментами (они называются фрагментами Оказаки в честь ученого, который их описал, у эукариот имеют последовательность 100–200 нуклеотидов). Потом эти фрагменты сшиваются, и такая нить называется запаздывающей, в целом репликация этой нити идет медленней.
10 Биосинтез белка. Транскрипция
Транскрипция (переписывание) – синтез на ДНК–матрице мРНК (первичного продукта гена), осуществляющийся в ядре на смысловой нити ДНК, находящейся в деспирализованном состоянии. Это первый этап белкового синтеза.
Матричная РНК (мРНК) содержит генетическую инструкцию по синтезу определенного полипептида и переносит ее к белоксинтезирующим органеллам клетки – рибосомам. Синтез комплементарной нити РНК на молекуле ДНК осуществляется ферментом РНК-полимеразой. Каждый вид эукариотической РНК-полимеразы обладает своими специальными функциями, то есть транскрибирует определенный набор генов. Синтез мРНК имеет стадии инициации, элонгации и терминации.
Для инициации транскрипции необходимо наличие специального участка в ДНК, называемого промотором. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и образуется открытый промоторный участок.
Элонгация (удлинение) цепи РНК – это стадия транскрипции, которая наступает после присоединения первых 8 рибонуклеотидов. При этом движущаяся вдоль цепи ДНК РНК-полимераза действует подобно застежке-молнии, раскрывая двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере его продвижения.
Терминация (прекращение роста) цепи мРНК происходит на специфических участках ДНК, называемых терминаторами..
Процесс транскрипции эукариот имеет ряд особенностей. Так, для них характерно «кэпирование», т.е. образования на 5’-конце мРНК особой последовательности – кэп-структуры. Первичный продукт гена, формируемый в ядре – точная копия транскрибированного участка ДНК. Эта молекула называется незрелой гетерогенной ядерной РНК (гяРНК). Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом. В результате этого процесса молекулы подвергаются модификации по 5’→3’ концам и сплайсингу. Сплайсинг гяРНК – это удаление последовательностей РНК, соответствующих интронным (не несущим информацию о структуре белка) областям ДНК, и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов (участков, которые непосредственно кодируют аминокислотную последовательность в белке).
11 Биосинтез белка. Трансляция
Трансляция (перевод) – процесс воплощения генетической информации мРНК в структуру полипептида. Это второй этап белкового синтеза.
Зрелая матричная РНК выходит в цитоплазму, где осуществляется процесс трансляции – декодирование мРНК в аминокислотную последовательность белка. Процесс декодирования осуществляется в направлении от 5’→3’ и происходит в рибосомах. Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой.
Подобно транскрипции механизм трансляции состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации.
Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, который при локализации в смысловой части структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Каждую аминокислоту доставляет к полисоме транспортная РНК, специфичная к данной аминокислоте. Таким образом, тРНК выполняет роль посредника между кодоном мРНК и аминокислотой. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон мРНК) по принципу спаривания комплементарных азотистых оснований. Молекула тРНК, которая подходит к малой субъединице, образует связь [кодон – антикодон], при этом одновременно передает свою аминокислоту в аминоацильный участок (А-участок) большой субъединицы рибосомы. К кодону АУГ «подходит» антикодон только той аминокислоты, которая переносит метионин. Поэтому, прежде всего к рибосоме доставляется метионин. Затем кодон АУГ переходит на пептидильный участок большой субъединицы (Р-участок). В результате этих процессов образуется транслирующая рибосома – инициирующий комплекс
Элонгация – это последовательное включение аминокислотных остатков в состав растущей полипептидной цепи. Каждый акт элонгации состоит из трех этапов:
· Узнавание кодона, которое заключается в связывании антикодона с очередной молекулой тРНК, несущей аминокислоту, с кодоном свободного А-участка на рибосоме;
· Образование пептидной связи, которое происходит лишь тогда, когда оба участка А и Р заняты молекулами тРНК. Часть большой субъединицы рибосомы – фермент пептидилтрансфераза, катализирующая образование пептидной связи
· Транслокация, где тРНК участка Р, не связанная с пептидом, покидает рибосому. Затем молекула тРНК с полипептидом переходит из А- на Р-участок, и наконец, рибосома перемещается вдоль РНК на один кодон.
Терминация (окончание синтеза) происходит по команде кодонов УАА, УАГ, УГА. В природе не существует таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам.
Каждая мРНК транслируется, как правило, несколько раз, после чего разрушается. Среднее время жизни мРНК около 2 мин. Разрушая старые и образуя новые мРНК, клетка строго контролирует тип продуцируемого белка и его количество. Это регуляция синтеза белка на уровне транскрипции. У эукариот возможна регуляция и на уровне трансляции.
Синтез белка – один из существеннейших показателей жизни. Жизнь каждого индивидуума начинается с оплодотворенной яйцеклетки, которая многократно делится. Вскоре в образовавшейся клеточной массе начинается дифференцировка: между многими ранее однородными клетками возникают различия. Клетки дифференцируются потому, что в них содержатся разные белки, от присутствия которых зависит, какие реакции будут проистекать в клетке, а также свойства и функции данной клетки. Поскольку любой белок является продуктом гена, то дифференцировка обусловлена тем, что разные гены включаются и выключаются на разных этапах онтогенеза. Кроме того, каждый человек на Земле в прошлом, настоящем и будущем имеет свой неповторимый набор только ему свойственных белков, именно поэтому каждый человек уникален. Исключение – монозиготные близнецы, у которых генетический материал одинаков. Именно специфичность белковых наборов обеспечивает иммунный статус каждого человека.
12 Организация генов
Так что же такое ген? Ген – это участок молекулы ДНК, детерминирующий синтез определенного полипептида (белка) или нуклеиновой кислоты, или другими словами, это последовательность нуклеотидов в ДНК, которая обуславливает определенную функцию в организме или обеспечивает транскрипцию другого гена.
Молекула ДНК содержит множество генов. Гаплоидный набор хромосом человека содержит 3,5х109 нуклеотидных пар, этого количества достаточно для кодирования 1,5 млн. пар генов. Однако, известно, что организм человека имеет не более 100 тысяч белков. Это значит, что в клетках человека только 1% ДНК кодирует образование белков. В отношении остального количества ДНК существуют различные гипотезы. Некоторая часть нетранслируемых последовательностей ДНК регулирует экспрессию генов в ходе развития, дифференцировки и адаптации. Другая часть избыточной ДНК входит в состав интронов, некодирующих участков генов, разделяющих кодирующие (экзонные) области. И все же большая часть избыточной ДНК представлена многочисленными семействами повторяющихся последовательностей. ДНК генома эукариот можно разделить на два класса последовательностей: уникальные (неповторяющиеся) и повторяющиеся. К первому типу относятся однокопийные гены, кодирующие белки. Повторяющиеся последовательности ДНК встречаются у человека с частотой от 2 до 107.
В зависимости от выполняемых функций гены подразделяют на различные группы. Основные из них:
· структурные (смысловые) – кодирующие РНК, или последовательность аминокислот в белковой молекуле, т.е. определяющие структуру белков.
· конститутивные («домашнего хозяйства») – работают постоянно во всех клетках организма и кодируют ферменты общего метаболизма. Экспрессия этих генов не зависит от окружающих условий и поддерживается на постоянном уровне.
· излишества («роскоши») – кодируют строго определенные специализированные белки, как правило, в клетках особого типа, например, гемоглобин в эритроцитах, иммуноглобулин – в клетках плазмы.
· контролирующие развитие – гены, функцией которых является контроль путей развития.
· общего контроля – ответственны за стабильность генома, дефекты в этих генах приводят к увеличению частоты мутаций.
· определяющие тип строения – влияют на дифференцирование надмолекулярных, тканевых структур.
Функционирование структурных генов тесно связано со специфическими последовательностями в молекуле ДНК, называемыми регуляторными участками. Структурные гены подразделяют на следующие группы:
Независимые – транскрибируются независимо, их транскрипция не связана с другими генами, однако активность этих генов может регулироваться, например, гормонами;
Повторяющиеся – один ген может находиться в хромосоме в виде повторов, повторяясь много сотен раз, вплотную следуя друг за другом, образуя тандемы. Например, гены рРНК;
Кластеры генов – группы различных генов, находящиеся в определенных участках или локусах хромосом, объединенных общими функциями. В геноме человека, например, кластеры гистоновых генов повторяются до 10–20 раз, образуя тандемные группы повторов. Между генами, объединенными в кластере общими функциями, находятся спейсерные участки. Спейсерная ДНК не всегда транскрибируется. Иногда эти участки несут информацию о регуляции или инициации транскрипции, но в основном это просто короткие повторы избыточной ДНК, роль которой не выяснена.
Прерывистые гены – отличительная черта строения многих генов эукариот. Она выражается в мозаичности структуры смысловой части генов. Это связано с чередованием экзонов и интронов. В результате общая длина гена оказывается больше, чем можно было ожидать, примерно в 5–7 раз. В начале гена, до его смысловой части, находятся участки, которые обеспечивают правильную регуляцию работы гена..
13 Упаковка генетического материала
Если бы всю ДНК одной клетки в форме простой двойной спирали вытянуть в одну линию, то ее длина была бы 1,74 м. Представленной в виде линии суммарной ДНК одного человека можно три раза обернуть земной шар по экватору. Сильно конденсированные структуры ДНК, содержащиеся в ядрах клеток,называются хромосомы. При конденсации происходит уменьшение продольных размеров молекулы ДНК в десятки тысяч раз за счет образования сверхспиралей ДНК.
У эукариотических организмов значительная часть ДНК окружена множеством различных белков. Эти белки вместе с ДНК образуют комплексную структуру – хроматин, который обеспечивает специфический для эукариот тип регуляции экспрессии генов. В состав хроматина входят очень длинные двухцепочечные молекулы ДНК, белки гистоны, кислые белки и небольшие количества РНК. Всего известно пять типов гистонов: H1, H2A, H2B, H3, H4. Гистоны объединяют несколько групп основных белков. Н1 наиболее слабо связан с хроматином.
В хромосоме ДНК с помощью гистонов упакована в специальные регулярно повторяющиеся структуры – нуклеосомы. Так, образуется структура, похожая на бусы, где каждая бусина – нуклеосома. Нуклеосома представляет собой сегмент ДНК длиной около 200 пар оснований, навитый на белковую сердцевину, состоящую из восьми молекул–гистонов. В нуклеосомную сердцевину (нуклеосомный кор) входит по две молекулы гистонов H2A, H2B, H3, H4. Поверхности этих белковых молекул несут положительные заряды и образуют стабилизирующий остов, вокруг которого может закручиваться отрицательно заряженная молекула ДНК. Гистон Н1 размещается на участках ДНК, соединяющих одну нуклеосому с другой. ДНК этих участков называют соединительной (линкерной). Предполагают, что Н1 участвует в регуляции транскрипционной активности хроматина и не участвует в стабилизации структуры хромосомы.
Перед началом деления клеточного ядра хромосома, представленная на этот момент цепочкой нуклеосом (фибриллой), начинает спирализоваться, образуя хроматиновые петли и упаковываться, образуя при помощи белка H1 в толстую хроматиновую нить, или хроматиду, диаметром 30 нм. В результате дальнейшей спирализации диаметр хроматиды достигает ко времени метафазы 700 нм. Значительная толщина хромосомы (диаметр 1400 нм) на стадии метафазы позволяет, наконец, увидеть её в световой микроскоп.
Т.о. конденсированная хромосома имеет вид буквы X (часто с неравными плечами) и представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре (рис.12).
Митотическая хромосома состоит из двух сестринских хроматид и центромеры. В зависимости от расположения центромеры хромосомы морфологически разделяют на
- Метацентрические – центромера расположена посередине хромосомы (равноплечие) – рис. 13, 1;
- Субметацентрические – центромера смещена к одному из краев (слабо неравноплечие) – рис. 13, 2;
- Акроцентрические – центромера сильно смещена к одному из плеч (резко неравноплечие) – рис. 13, 3;
Телоцентрические – центромера расположена в теломерном (концевом) участке хромосом
14 Нормальный кариотип человека
Кариотип- хромосомный комплекс вида со всеми его особенностями: числом хромосом, их формой, деталями строения.
Кариотип человека содержит 46 хромосом (23 пары). 22 пары называются аутосомами, 23-я пара – половыми хромосомами. Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой. Центромера делит хромосому на два плеча – длинное (q) и короткое (р).
В кариотипе человека различают следующие типы хромосом:
1. Метацентрические (равноплечие). У метацентрических хромосом плечо р равно по длине плечу q.
2. Субметацентрические (неравноплечие). У субметацентрических хромосом плечо р короче плеча q.
3. Акроцентрические. У акроцентрических хромосом плечо р имеет спутники, представляющие собой районы ядрышкового организатора. Здесь находятся гены рРНК. Спутники соединяются с коротким плечом спутничной нитью.
По морфологическим признакам и размерам хромосомы в кариотипе человека делятся на 7 групп.
Группа А (1- 3 пары) – большие метацентрические хромосомы;
Группа В (4,5 пары) – большие субметацентрические, различаются только при специальном (дифференциальном окрашивании);
Группа С (6 – 12 пары) – средние субметацентрические, различаются при дифференциальном окрашивании;
Группа D (13 -15 пары) – большие акроцентрические, различаются при дифференциальном окрашивании;
Группа Е (16 – 18 пары) – средние метацентрические (16) и субметацентрические (17, 18), 17 и 18 пары хорошо различимы при дифференциальном окрашивании.
Группа F (19 и 20 пары) – маленькие метацентрические хромосомы; различаются при дифференциальном окрашивании;
Группа G (21 и 22 пары) – маленькие акроцентрические, различаются при дифференциальном окрашивании;
Половые хромосмы (23-я пара). У женщин это две Х-хромосомы, у мужчин – Х и У хромосомы. Х-хромосома при стандартном окрашивании неотличима от аутосом группы С. У-хромосому дифференцируют от хромосом группы G (она не имеет спутников, длина короткого плеча изменчива и наследуется от отца к сыну). У-хромосому можно выявить специфическим окрашиванием акрихин-ипритом. При таком окрашивании концевой участок длинного плеча выявляется в виде яркого пятна диаметром 0,3-1,0 мкм.
15 Митотический цикл и его периоды.Поведение хромосом в митозе.
Поведение хромосом в митозе.Важнейшим компонентом клеточного цикла явл.митотический (пролиферативный цикл). Он представляет собой комплекс взаимосвязанных и согласованных явлений во время деления клетки,а также до и после него. Митотический цикл-это сов-то процессов происходящих в клетке от одного деления до следующего и заканчивающихся образованием двух клеток следующей генерации. Кроме этого,в понятии жизненного цикла входит также период выполнения клеткой своих функций и периоды покоя.В это время дальнейшая клеточная судьба не определенна: клетка может начать делиться(вступать в митоз) либо начать готовиться в к выполнению специфических функций.
Стадии митоза.Процесс митоза принято подразделять на четыре основные фазы: профаза,метофаза,анафаза,телофаза. Так как он непрерывен смена фаз осуществляется плавно-одно незаметно переходит в другую. В профазе увеличивается объем ядра,и вследствие спирализации хроматина формируются хромосомы. К концу профазы видно,что каждая хромосома состоит из двух хроматид. Постепенно растворяются ядрышки и ядерная оболочка,и хромосомы оказываются беспорядочно расположены в цитоплазме клетки. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется ахроматиновое веретено деления, часть нитей которого идет от полюса к полюсу, а часть- прикрепляется центромером хромосом. В метофазе хромосомы достигают максимальной спирализации и располагаются упорядоченно у экватора клетки., поэтому их подсчет и изучение проводят в этот период. Содержание генетического материала не изменяется. В анафазе каждая хромосома «расщепляется» на 2 хроматиды, которые с этого момента называются дочерними хромосомами. Нити веретена прикрепленные к центромером сокращаются и тянут хроматиды (дочерние хромосомы) к противоположным полюсам клетки. Содержание генетического материала в клетке каждого полюса представлено диплоидным набором хромосом, но каждая хромосома содержит одну хроматиду. В телофазе расположившиеся у полюсов хромосомы деспирализуются и становятся плохо видимыми. Вокруг хромосом у каждого полюса из мембранных структур цитоплазмы формируется ядерная оболочка, в ядрах образуются ядрышки. Разрушается веретено деления. Одновременно идет деление цитоплазмы. Дочерние клетки имеют диплоидный набор хромосом, каждая из которых состоит из одной хроматиды.
16. Мейоз. Поведение хромосом в мейозе.
Особая форма клеточного деления- мейоз. В отличии от широко распространенного митоза, сохраняющего в клетках постоянно диплоидное число хромосом,мейоз приводит к образованию из диплоидных клеток гаплоидных гамет. При последующем оплодотворении гаметы формируют организм нового поколения с диплоидным кариотипом. В главных чертах мейоз протекает сходно у разных групп организмов и у особей женского и мужского пола. Дав следующих друг за другом деления первичной половой клетки обозначаются как мейоз 1 и мейоз 2. Подобно делению соматических клеток-митозу, и мейоз1, и мейоз 2 состоят из четырех основных стадий-профазы, матафазы,анафазы,телофаза. Вступающая в мейоз клетка диплоидна, а каждая хромосома содержит удвоенное количествоДНК. В первом мейотическом делении особенно сложна и длительна профаза 1. На этой стадии гомологичные хромосомы соединяются в пары-биваленты.В каждой хромосоме бивалента различимы в микроскопе две продольные половины—хромотиды т.е бивалент представляет собой четверку хроматид. В профазе 1 происходит генетически значимое событие-обмен гомологичными участками несестренских хроматид,или кроссинговер. В анафазе 1 разъединяются и гомологичные хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки,причем, в отличие от анафазы митоза,каждая хромосома сохраняет две хроматиды. В результате чего хромосом уменьшилось вдвое,но удвоенным остается и количество ДНК,представленное двумя хроматидами. Важная особенность расхождения хромосом заключается в том,что любая отцовская или материнская хромосома из гомологичной пары может отойти к любому из полюсов независимо от того как расходятся хромосомы других пар. Это означает,что число возможных сочетаний хромосом в дочерних клетках обычно очень велико. Так происходит еще одно перемешивание родительского генетического материала-рекомбинация хромосом. После мейоза1 обычно сразу или после короткой интерфазы.в о время которой удвоение хромосом не происходит,следует мейоз 2. это деление аналогично митозу с той разницей, что делятся гаплоидные клетки. В анафазе 2 сестринские хроматиды разделяются и став хромосомами расходятся к полюсам. Число хромосом и количество ДНК приходят в соответствие и мейоз 2 завершается образованием четырех гаплоидных гамет,каждая из которых несет уникальный генетический материал. У самок однако лишь одна из четырех гамет-яйцеклетка,способная к оплодотворению. Мейоз-один из ключевых биологических процессов. Его значение состоит в поддержании в поколения постоянства хромосомных наборов кариотипов. Его значение состоит в поддержании в поколениях постоянства хромосомных наборов кариотипов т. Е в обеспечении наследственности и в создании новых сочетаний и отцовских и материнских генов т.е в обеспечении генотипической изменчивости.
17. Хромосомная теория наследственности. Карты хромосом.
Хромосомная теория наследственности- теория, согласно которых хромосомы заключенные в ядре клетки являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности т. Е преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом. Хромосомная теория наследственности возникла в начале 20 века на основе клеточной теории и использовалась для изучения наследственных свойств организмов гибридологического анализа. Генетической картой хромосом называют схему взаимного расположения генов,находящихся в одной группе сцепления. Такие карты составляются для каждой пары гомологичных хромосом. Возможность подобного картирования основано на постоянстве процента кроссинговера между определенными генами. Генетические карты хромосом составлены для многих видов организмов: насекомых(дрозофила.комар..),грибов(дрожжи,аспергилл), для бактерий и вирусов. Наличие генетической карты свидетельствует о высокой степени изученности того или иного вида организма и представляет большой научный интерес.
Основные положения хромосомной теории наследственности:
-гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат не одинаковое число генов. Кроме того набор генов в каждой из негомологичной хромосом уникален.
-аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах
- гены расположены в хромосоме в линейной последовательности
-гены одной хромосомы образуют группу сцепления т.е наследуются преимущественно сцеплено(совместно) благодаря чему происходит сцеплено наследование нескольких признаков. Число групп сцеплени равно гаплоиднаму числу хромосом данного вида(у гомогометного пола) или больше на единицу(у гетерогометного пола)
- сцепление нарушается в результате кроссинговера,частота которого прямопропорционально расстоянию между генами в хромосоме(поэтому сила сцеплени