Учебное пособие для студентов I курса (дополненное)
|
|
Скачать 1.26 Mb.
|
|
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации КАФЕДРА БИОЛОГИИ С ЭКОЛОГИЕЙ А.Б. Ходжаян, Л.А. Краснова, Н.Н. Федоренко, Г.И.Болдырева  УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ I КУРСА (дополненное)  Ставрополь 2008 УДК 57:575 Настоящее пособие дает возможность в очень кратком курсе изучения биологии в медицинском вузе составить четкое современное представление уже студенту первого года обучения о некоторых фундаментальных и прикладных положениях, касающихся, в частности, структуры и функции универсальных биологических мембран; строения хромосом и организации кариотипа человека; медицинского и экологического аспекта генетики человека. Разделы пособия соответствуют последовательности изучения предмета на кафедре биологии с экологией Ставропольской государственной медицинской Академии. Составители: д.м.н. проф. А.Б. Ходжаян, к.м.н., доц. Л.А. Краснова, к.м.н., доц. Н.Н. Федоренко, ст. преп. Г.И. Болдырева. ISBN 5-87587-010-9 © Ставропольская государственная медицинская Академия 2008 Лауреаты нобелевской премии утверждают, что – “Наши врачи должны как азбуку знать законы наследственности. Воплощение в жизнь научной истины о законах наследственности поможет избавить человечество от многих скорбей и горя”. ^ “Нам потребуются врачи настолько осведомленные в молекулярной анатомии и физиологи хромосом и генов, насколько кардиохирург знает работу сердца и структуру сосудистого дерева”. ^ Предисловие Уже давно ни у кого не вызывает сомнения необходимость биологической образованности врача любой специальности. При всей сохраняющейся и по сей день сложности объяснения природы человека он часть природы, существующей на нашей планете, а вместе с ней и часть мироздания. Естественно и то, что он подчиняется общим принципам состава и структуры живых организмов, их развития и управления основными функциями, что не умаляет его уникальности, как и любого другого биологического вида. Нормальное функционирование человеческого организма возможно при условии сохранения в нем гармонии общебиологического и уникального. Поэтому студент уже первого курса должен владеть основами той информации, которая, во-первых, позволит ему составить соответствующее современным положениям науки представление о материальных основах жизни и, во-вторых, определить основные формы и направления взаимоотношения человека с окружающим его миром. Кроме того, у студента должно быть четко сформировано понимание и конкретное знание того, что фундаментальные положения биологии являются основой медицинского аспекта науки о человеке. Непосредственная задача этого методического пособия: - изложить предлагаемый учебный материал наиболее информативно, в соответствии с современными научными данными; - частично показать в каких областях медицины используются сведения, представленные в разделах пособия; - расположить материал в соответствии с организацией учебного процесса на кафедре, что облегчит студенту усвоение учебной программы. ^ Одним из важнейших структурно-функциональных компонентов клетки являются биологические мембраны, которые покрывают поверхность клеток, входят в состав большинства клеточных органоидов и образуют ядерную оболочку в эукариотических клетках. Мембраны имеют толщину около 5-10 нм и по химической организации являются липопротеидными структурами. ^ , состоящий преимущественно из фосфолипидов. Кроме последних, в мембранах могут присутствовать гликолипиды и холестерол. Все они обладают свойством амфипатричности, т.е. у них есть гидрофильный («любящий воду») и гидрофобный («боящийся воды») концы. Первые обращены кнаружи от бислоя в виде двух противоположных рядов полярных «головок», а вторые –внутрь друг к другу и имеют вид разветвленных неполярных «хвостов». Большинство фосфолипидов и гликолипидов в водной среде самопроизвольно образуют бислой и смыкаются свободными концами, что лежит в основе восстановления структуры мембран при повреждении. Липидный бислой может находиться в состоянии жидкого и твердого кристалла. Молекулы липидов высокоподвижны и способны перемешаться в пределах своего монослоя и очень редко из одного монослоя в другой. Для липидного бислоя характерна асимметричность: его монослои отличаются друг от друга по составу липидов. Различный липидный состав отличает также разные мембраны одной и той же эукариотической клетки. ^ Если липидный бислой определяет основные структурные особенности мембран, белки обеспечивают большинство мембранных функций. Они выступают в качестве специфических рецепторов, несут ферментативную функцию, а также осуществляют транспорт через мембрану различных веществ. Многие мембранные белки способны вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости бислоя, или перемещаться в плоскости самой мембраны, однако они не могут перескакивать с одной стороны бислоя на другую. Этот процесс контролируемый и связан различного рода взаимодействиями между белками мембраны и различными элементами цитоплазмы. ^ В 1935 году английские ученые Даниэлли и Даусон высказали идею о «бутербродной» модели биологических мембран, в соответствии с которой основу мембран составляет липидный бислой, покрытый сверху и снизу сплошным слоем белков. В 1972 году Сингер и Николсон описывают жидкостно-мозаичную модель мембраны, получившую широкое признание. Согласно этой модели белки, не образуют сплошных слоев поверх липидов бислоя, а вкраплены в него в виде мозаики: некоторые белки располагаются группами на поверхности бислоя (периферические белки), другие – пронизывают бислой полностью или частично (интегральные и полуинтегральные трансмембранные белки). Молекулы белков, как и липидов, обладают амфипатрическими свойствами: у них есть гидрофобные участки, взаимодействующие с гидрофобными хвостами липидных молекул внутри бислоя, и гидрофильные участки, обращенные к водной среде и образующие с молекулами воды водородные связи. Позже появились сведения о том, что часть белков, входящих в состав биологических мембран, образует в липидном бислое жесткий каркас, который сохраняется после вымывания липидов жирорастворяющими веществами. Этот вид модели получил название белково-кристаллической. Описанные три вида моделей биологических мембран не исключают друг друга. Они могут встречаться в разных мембранах или же в разных участках одной и той же мембраны в зависимости от функциональных особенностей данного участка. ^ Наружная клеточная мембрана (плазмалемма, цитолемма, плазматическая мембрана) животных клеток покрыта снаружи (т.е. на стороне, не контактирующей с цитоплазмой) слоем олигосахаридных цепей, ковалентно присоединенных к мембранным белкам (гликопротеины) и в меньшей степени к липидам (гликолипиды). Это углеводное покрытие мембраны называется гликокаликсом. Назначение гликокаликса пока не очень ясно; есть предположение, что эта структура принимает участие в процессах межклеточного узнавания. ^ поверх наружной клеточной мембраны располагается плотный целлюлозный слой с порами, через которые осуществляется связь между соседними клетками посредством цитоплазматических мостиков. У клеток грибов поверх плазмалеммы – плотный слой хитина. У бактерий – муреина. Свойства биологических мембран ^ после разрушающих воздействий. Это свойство определяется физико-химическими особенностями фосфолипидных молекул, которые в водном растворе собираются вместе так, что гидрофильные концы молекул разворачиваются наружу, а гидрофобные - внутрь. В уже готовые фосфолипидные слои могут встраиваться белки. Способность к самосборке имеет важное значение на клеточном уровне. 2. Полупроницаемость (избирательность в пропускании ионов и молекул). Обеспечивает поддержание постоянства ионного и молекулярного состава в клетке. ^ . Мембраны не являются жесткими структурами, они постоянно флюктуируют за счет вращательных и колебательных движений молекул липидов и белков. Это обеспечивает большую скорость протекания ферментативных и других химических процессов в мембранах. ^ Основными функциями плазмалеммы являются следующие: 1) барьерная, 2) рецепторная, 3) обменная, 4)транспортная. 1. ^ Она выражается в том, что плазмалемма ограничивает содержимое клетки, отделяя его от внешней среды, а внутриклеточные мембраны разделяют цитоплазму на отдельные реакционные отсеки-компартменты. 2. ^ Одной из важнейших функций плазмалеммы является обеспечение коммуникации (связи) клетки с внешней средой посредством присутствующего в мембранах рецепторного аппарата, имеющего белковую или гликопротеиновую природу. Основная функция рецепторных образований плазмалеммы - распознавание внешних сигналов, благодаря которым клетки правильно ориентируются и образуют ткани в процессе дифференцировки. С рецепторной функцией связана деятельность различных регуляторных систем, а также формирование иммунного ответа.
Существует два основных способа поступления веществ в клетку и вывода из клетки во внешнюю среду;
^ идет по градиенту химической или электрохимической концентрации без затрат энергии АТФ. Если молекула транспортируемого вещества не имеет заряда, то направление пассивного транспорта определяется только разностью концентрации этого вещества по обеим сторонам мембраны (градиент химической концентрации). Если же молекула заряжена, то на ее транспорт влияют как градиент химической концентрации, так и электрический градиент (мембранный потенциал). Оба градиента вместе составляют электрохимический градиент. Пассивный транспорт веществ может осуществляться двумя способами простой диффузией и облегченной диффузией. ^ ионы солей и вода, могут проникать через селективные каналы. Эти каналы образуются за счет некоторых трансмембранных белков, формирующих сквозные транспортные пути, открытые постоянно или только на короткое время. Через селективные каналы проникают различные молекулы, имеющие соответствующие каналам размер и заряд. Имеется и другой путь простой диффузии - это диффузия веществ через липидный бислой, через который легко проходят жирорастворимые вещества и вода. Липидный бислой непроницаем для заряженных молекул (ионов), и в то же время незаряженные малые молекулы могут свободно диффундировать, при этом, чем меньше молекула, тем быстрее она транспортируется. Довольно большая скорость диффузии воды через липидный бислой как раз и объясняется малой величиной ее молекул и отсутствием заряда. ^ в транспорте веществ участвуют белки – переносчики, работающие по принципу «пинг-понг». Белок при этом существует в двух конформационных состояниях: в состоянии «понг» участки связывания транспортируемого вещества открыты с наружной стороны бислоя, а в состоянии «пинг» такие же участки открываются с другой стороны. Этот процесс обратимый. С какой же стороны в данный момент времени будет открыт участок связывания вещества, зависит от градиента концентрации, этого вещества. Таким способом через мембрану проходят сахара и аминокислоты. При облегченной диффузии скорость транспортировки веществ значительно возрастает в сравнении с простой диффузией. Кроме белков-переносчиков, в облегченной диффузии принимают участие некоторые антибиотики, например, грамицидин и валиномицин. Поскольку они обеспечивают транспорт ионов, их называют ионофорами. ^ Этот вид транспорта всегда идет с затратой энергии. Источником энергии, необходимой для активного транспорта, является АТФ. Характерной особенностью этого вида транспорта является то, что он осуществляется двумя способами:
В наружной клеточной мембране присутствуют такие белки-ферменты, как АТФ-азы, функция которых заключается в обеспечении активного транспорта ионов против градиента концентрации. Поскольку они обеспечивают транспорт ионов, то этот процесс называют ионным насосом. Известны четыре основные системы транспорта ионов в животной клетке. Три из них обеспечивают перенос через биологические мембраны .Na+ и К+, Са+, Н+, а четвертый - перенос протонов при работе дыхательной цепи митохондрии. Примером механизма активного транспорта ионов может служить натрий-калиевый насос в животных клетках. Он поддерживает в клетке постоянную концентрацию ионов натрия и калия, которая отличается от концентрации этих веществ в окружающей среде: в норме в клетке ионов натрия бывает меньше, чем в окружающей среде, а калия - больше. Вследствие этого по законам простой диффузии калий стремится уйти из клетки, а натрий диффундирует в клетку. В противовес простой диффузии натрий - калиевый насос постоянно выкачивает из клетки натрий и вводит калий: на три молекулы выбрасываемого наружу натрия приходится две молекулы вводимого в клетку калия. Обеспечивает этот транспорт ионов натрий-калий зависимая АТФ-аза -фермент локализующийся в мембране таким образом, что пронизывает всю ее толщу, С внутренней стороны мембраны к этому ферменту поступает натрий и АТФ, а с наружной - калий. Перенос натрия и калия через мембрану совершается в результате конформационных изменений, которые претерпевает натрий-калий зависимая АТФ-аза, активизирующаяся при повышении концентрации натрия внутри клетки или калия в окружающей среде. Для энергообеспечения этого насоса необходим гидролиз АТФ. Этот процесс обеспечивает все тот же фермент натрий-калий зависимая АТФ-аза. При этом более одной трети АТФ, потребляемой животной клеткой в состоянии покоя, расходуется на работу натрий - калиевого насоса. Нарушение правильной работы натрий - калиевого насоса приводит к различным серьезным заболеваниям. КПД этого насоса превышает 50%, чего не достигают самые совершенные машины, созданные человеком. Многие системы активного транспорта приводятся в действие за счет энергии, запасенной в ионных градиентах, а не путем прямого гидролиза АТФ. Все они работают как котранспортные системы (способствующие транспорту низкомолекулярных соединений). Например, активный транспорт некоторых сахаров и аминокислот внутрь животных клеток обусловливается градиентом иона натрия, причем чем выше градиент ионов натрия, тем больше скорость всасывания глюкозы. И, наоборот, если концентрация натрия в межклеточном пространстве заметно уменьшается, транспорт глюкозы останавливается. При этом натрий должен присоединиться к натрий - зависимому белку-переносчику глюкозы, который имеет два участка связывания: один для глюкозы, другой для натрия. Ионы натрия, проникающие в клетку, способствуют введению в клетку и белка-переносчика вместе с глюкозой. Ионы натрия, проникшие в клетку вместе с глюкозой, выкачиваются обратно натрий -калий зависимой АТФ-азой, которая, поддерживая градиент концентрации натрия, косвенным путем контролирует транспорт глюкозы. ^ Крупные молекулы биополимеров практически не могут проникать через плазмалемму ни одним из вышеописанных механизмов транспорта веществ в клетку. Они захватываются клеткой и поглощаются в мембранной упаковке, что получило название эндоцитоза. Последний формально разделяют на фагоцитоз и пиноцитоз. Захват клеткой твердых частиц - это фагоцитоз, а жидких - пиноцитоз. При эндоцитозе наблюдаются следующие стадии:
- слияние фагосомы с лизосомой и образование фаголизосомы (пищеварительной вакуоли) в которой происходит переваривание поглощенных частиц;
В животном мире эндоцитоз является характерным способом питания многих одноклеточных организмов (например, у амеб), а среди много клеточных этот вид переваривания пищевых частиц встречается в энтодермальных клетках у кишечнополостных. Что касается млекопитающих и человека, то у них имеется ретикуло-гистио-эндотелиальная система клеток, обладающих способностью к эндоцитозу. Примером могут служить лейкоциты крови и купферовские клетки печени. Последние выстилают так называемые синусоидные капилляры печени и захватывают взвешенные в крови различные чужеродные частицы. Экзоцитоз - это и способ выведения из клетки многоклеточного организма секретируемого ею субстрата, необходимого для функции других клеток, тканей и органов. ^ Мембранология - наука о структуре и функции биологических мембран. Многие патологические изменения в организме затрагивают клеточные мембраны, нарушая их нормальную молекулярную организацию. И, наоборот, при нарушении одной или нескольких функций мембран могут произойти отклонения, которые сами могут послужить основой заболевания. Принципиальное сходство химического состава и единство физической организации всех мембран позволяют рассматривать организм человека как сложную систему единообразных структурных элементов с гигантской общей поверхностью в десятки тысяч квадратных метров. Нарушение любого из факторов молекулярной организации этой хрупкой системы мембран может оказаться фатальным для организма. Однако этому противостоит исключительная репаративная возможность клеточных мембран. Понимание и доказательство роли мембран в патогенезе (развитии) некоторых болезней позволит использовать методы мембранологии в диагностике этих заболеваний и сформировать новые подходы к их лечению. Идеи и методы мембранологии широко используются в таких разделах медицины как онкология, кардиология, иммунология. Мембраны, как структуры клеток, могут быть также ключевыми элементами патогенеза генных болезней. В частности, отсутствие специфических белков - рецепторов на клеточной поверхности, связывающих липопротеиды низкой плотности, приводит к развитию семейной гиперхолестеринемии. Синдром полной нечувствительности к андрогенам (мутация Х-сцепленного гена, который кодирует белок - рецептор клеточных мембран для андрогена -мужского полового гормона) - синдром тестикулярной феминизации, когда при кариотипе ХУ и наличии в организме семенников развивается женский фенотип. Витамин D-резистентный рахит (не поддающийся лечению vit D -аутосомно-доминантный тип наследования) - дефект белка-рецептора наружных клеточных мембран для 1,25-дигидроксихолекальциферола (vit D). Поэтому данный витамин в клетки не проникает и действия специфического не оказывает. При муковисцидозе нарушается транспортный трансмембранный белок эпителиальных клеток, образующий ионный хлорный канал для транспорта хлоридов. Эта одна биохимическая аномалия приводит к возникновению мультиорганного патологического процесса: прогрессирующее поражение дыхательных путей, хронические синуситы, недостаточность экзокринной функции поджелудочной железы, стерильность мужчин. ^ Осмос - это одностороннее проникновение воды через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией раствора в область с более высокой концентрацией. Возникающее при этом давление на мембрану получило название осмотического. Осмотическое давление обусловливается растворами солей и других низкомолекулярных веществ (сахара, мочевины), содержащихся в клетках. Односторонняя диффузия растворенных веществ называется диализом. Растворы, в которых осмотическое давление такое же, как и в клетках, получили название изотонических. При погружении клеток в изотонические растворы объем их остается неизменным. Изотонические растворы солей называют физиологическими. Для различных организмов концентрация хлорида натрия в физиологическом растворе неодинакова. Так, для млекопитающих она составляет 0,9%, дня земноводных – 0,75%, для морских беспозвоночных - 3%. Физиологическими растворами и другими изотоническими жидкостями пользуются в медицине. Их применяют при сильном обезвоживании и потере крови больными. Раствор, осмотическое давление которого выше, чем в клетках, называется гипертоническим. Клетки, погруженные в гипертонический раствор, начинают терять воду и сжиматься, т.е. сморщиваются. Гипертонический раствор находит широкое применение в хирургии для лечения гнойных ран. Марлевая повязка, смоченная гипертоническим раствором, хорошо впитывает гной, что способствует очищению и заживлению раны. Противоположная картина наблюдается при погружении клеток в гипотонический раствор, в котором концентрация солей ниже, чем в клетках. В этих случаях вода устремляется в клетку, клетка набухает, давление на оболочки становится больше, тургор клетки увеличивается. Под тургором понимается напряженное состояние оболочек клеток, вызываемое давлением на них изнутри. Кожа человека, в клетках которой снижен тургор, становится дряблой. При значительной разнице осмотического давления клетка в гипотоническом растворе может лопнуть, т.е. лизироваться. Живые клетки активно регулируют осмотическое давление. У одноклеточных животных, обитающих в пресной воде, функцию осморегуляции выполняют пульсирующие (выделительные) вакуоли. У трехслойных животных осмотическое давление в целом регулируется системой органов выделения. ^ Одним из ключевых вопросов генетики является вопрос о строении и особенностях функционирования материальных носителей наследственности. Последние имеют три основных уровня организации: генный, хромосомный, геномный. Раздел генетики, который изучает химическую организацию, строение, значение и функционирование хромосом, называется цитогенетикой. Для медико-биологического образования особый интерес представляет цитогенетика человека, объектом изучения которой являются хромосомы человека. В истории развития этого раздела генетики можно выделить три периода, переходящих друг в друга ^ приходится на конец прошлого столетия. Можно сказать, что цитогенетика человека началась с работ Арнольда (1879) и Флемминга (1882), которые первыми наблюдали хромосомы человека. ^ было положено шведскими цитологами Тио и Леваном (1956), которые, применив колхицин, модифицировали методику получения метафазных пластинок хромосом и убедительно доказали, что в норме клетка человека содержит 46 хромосом. Вскоре эти данные были подтверждены и другими цитогенетиками. Начиная с 1956 года цитогенетика человека получает бурное развитие. В этот период разрабатываются все основные методы хромосомного анализа, появляются фундаментальные работы по кариотипу человека. ^ в развитии цитогенетики начинается в 70-х годах. Его по праву можно считать началом современного этапа в развитии науки о цитологических основах наследственности человека. К этому периоду стало возможным изучение индивидуальных особенностей хромосом человека и их отдельных участков. Появились сведения о надмолекулярной организации хромосом, стали создаваться их генетические карты. ^ Хромосомы, как отдельные структуры, становятся доступными для исследования только после значительной конденсации хроматина, которая наступает во время митоза (в соматических клетках), либо во время мейоза (при образовании половых клеток). Начавшаяся в профазе конденсация хроматина заканчивается в метафазе, поэтому, как правило, хромосомы изучаются на стадии метафазной пластинки. В интерфазе хромосомы находятся в деконденсированном состоянии, и определить их как отдельные структуры не представляется возможным. В метафазе каждая хромосома имеет как бы иксобразную форму и состоит из двух идентичных половин - хроматид (сестринских хромосом), тесно прилежащих друг к другу только в области первичной перетяжки (центромеры), а на остальном протяжении между хроматидами видна большая щель. Центромера - это тот участок, где хромосома находится в деконденсированном состоянии, и к ней прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит хромосомы на плечи. По положению центромеры выделяют три вида хромосом. 1. Метацентрические, у которых плечи имеют примерно одинаковую длину (т.е. центромера расположена посередине хромосомы). 2. Субметацентрические, у которых центромера смещена от середины, располагается субмедиально и делит хромосому на два плеча неравной длины. Верхнее всегда меньшее. З. Акроцентрические, у которых центромера расположена почти на конце хромосомы, отделяя от длинного плеча очень короткое верхнее плечо. ^ принято обозначать буквой "р", а нижние длинные буквой "q". Характерной чертой для некоторых хромосом является наличие вторичных перетяжек, они возникают в участках неполной конденсации хромосом и располагаются в околоцентромерных участках 1-й, 9-й и 16-й хромосом. Вторичные перетяжки имеются также в 13-15 и 21 -22-й хромосомах, однако здесь они занимают удаленное от центромеры положение, отделяя небольшой концевой участок короткого плеча хромосом в виде спутника. Эти хромосомы называют спутничными. В этих хромосомах в области вторичной перетяжки сосредоточены гены, кодирующие р-РНК, и в прилежащих участках кариоплазмы образуются ядрышки. Поэтому такого рода вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами. В хромосомных наборах одних людей указанные хромосомы имеют вторичную перетяжку, а в этих же хромосомах у других людей её может не быть. ^ Молекулярно-биологические исследования позволили получить представление не только о химической структуре хромосом, но также и об их надмолекулярной организации и особенностях функционирования. В настоящее время известно, что хромосомы представляют собой нуклеопротеидные образования, состоящие из ДНК и белка. Кроме того, в хромосомах присутствует некоторое количество РНК, образующейся при транскрипции, и ионы Са+ и Mg+. Каждая хроматида, а в промежутке времени анафаза- S -период интерфазы и хромосома, содержит одну молекулу ДНК, которая определяет все функции хромосомы, связанные с хранением наследственной информации, её передачей и реализацией. Молекула ДНК в хромосомах тесно связана с двумя классами белков- гистонами (основные белки) и негистонами (кислые белки). Гистоны - это небольшие по величине белки с высоким содержанием заряженных аминокислот (лизина и аргинина). Суммарный положительный заряд позволяет гистонам связываться с ДНК независимо от нуклеотидного состава. Им принадлежит в основном структурная функция. Это очень стабильные белки, молекулы которых могут сохраняться в течение всей жизни клетки. В эукариотической клетке присутствуют 5 типов гистонов, которые распределяются на две основные группы: первая группа (их обозначают как Н2А, Н2В, НЗ, Н4), отвечает за формирование специфических дезоксирибонуклеопротеидных комплексов - нуклеосом. Вторая группа гистонов (HI) располагается между нуклеосомами и фиксирует укладку нуклеосомной цепи в более высокий уровень структурной организации (супернуклеосомную нить). Среди гистоновых белков, кроме структурных, встречаются такие, которые способны ограничивать доступность ДНК для ДНК - связывающих регуляторных белков и тем самым участвовать в регуляции активности генов. ^ весьма разнообразны. Число их фракций превышает 100. Они присутствуют в меньших количествах в хромосомах в сравнении с гистонами и выполняют в основном регуляторную функцию. Участвуют в регуляции транскрипционной активности генов, в обеспечении редупликации и репарации ДНК. ^ в небольшом количестве (минорные) - это регуляторные белки, узнающие специфические последовательности ДНК и связывающиеся с ними. Они вовлечены во многие генетические процессы, но известно о них пока что немного. Количественно преобладают негистоновые белки (мажорные), высокоподвижные, относительно малого размера, с большим электрическим зарядом - они всегда соединяются с нуклеосомами, содержащими активные гены. Кроме того, в группу негистоновых белков входит много ферментов. ^ Надмолекулярная организация хромосом называется еще или спирализацией, или конденсацией, или компактизацией. В настоящее время принято три уровня надмолекулярной организации хромосом: первичный, вторичный, третичный. Компактизация ДНК для эукариотической клетки важна по двум причинам: она позволяет не запутать и упорядоченно расположить очень длинные молекулы ДНК в небольшом объеме клеточного ядра и, кроме того, это один из способов функционального контроля генов - характер упаковки ДНК влияет на активность некоторых участков генома. ^ надмолекулярной организации — нуклеосомный. Элементарной структурой хромосомы, различаемой с помощью электронного микроскопа, является нить, диаметром 10-13 нм, представляющая собой комплекс ДНК и гистоновых белков. Эта нить состоит из гистонового остова (в виде цепочки расположенных друг за другом белковых телец дисковидной формы), поверх которого спирально закручена нить ДНК. Комплекс ДНК и гистонов на уровне одного дисковидного тельца называется нуклеосомой. Она содержит по две молекулы каждого из 4-х типов гистона (Н2А, Н2В, НЗ, Н4), соединенных в форме октамера. ДНК в нуклеосоме лежит поверх октамера, накручиваясь спирально на гистоновый остов. На уровне каждой нуклеосомы ДНК образует 2,3 оборота спирали, что соответствует примерно 200 парам нуклеотидов. Связь между соседними нуклеосомами осуществляется за счет гистона HI. На этот связывающий участок приходится 60 пар нуклеотидов. Формируется нить диаметром примерно 11 нм. Нуклеосома - это универсальная частица, которая обнаруживается как в эухроматине, так и в гетерохроматине, в интерфазном ядре и метафазных хромосомах. В случае линейной выпрямляемости, которая едва ли присутствует в живой клетке, образуемая нуклеосомами структура напоминает нитку "бус" и называется нуклеосомной нитью. Благодаря нуклеосомной организации хромосом происходит укорочение исходной длины ДНК в 7раз, т.е. происходит компактизация. Это, видимо, состояние интерфазной хромосомы, ее эухроматиновых участков. Дальнейшая компактизация ДНК в составе хромосом связана с образованием наднуклеосомных структур. Так, вторичный уровень хромосомной укладки ДНК выражается в формировании суперспиральной нити (соленоида), в которой исходная молекула ДНК укорачивается в 40раз. Толщина достигает 30-40 нм. При образовании суперспирали нуклеосомная нить спирально закручивается за счет взаимодействия гистонов HI и НЗ. Не исключено также и участие в этом негистоновых белков. Этот уровень укладки ДНК соответствует, по-видимому, наблюдаемым под световым микроскопом профазным митотическим и мейотическим хромосомам. Или интерфазным, но не транскрибируемым, возможно, участкам хромосом, т. е. гетерохроматиновым. ^ хромосомной укладки изучен менее всего. Существует две модели: в основу первой положен принцип спиральной укладки, в основе второй - строение по принципу складывания петель. В последние годы накоплен многочисленный материал, говорящий о реальности петлеобразных структур в хромосоме, и их плотной упаковке в метафазной хромосоме вокруг осевого каркаса, построенного из негистоновых белков. Петлевые структуры, но не плотно упакованные, есть и в интерфазной хромосоме. Вокруг каркаса, как в щетке-ерше, располагаются петли суперспиральной нити. Причем концы каждой петли локализуются на одной и той же точке белкового каркаса. Предполагается также, что петли могут скручиваться вокруг своей собственной оси, т.е. метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель. ^ - это конденсация профазной хромосомы в метафазную. Толщина такой структуры достигает 1400 нм (две хроматиды), а молекула ДНК при этом укорачивается в I04 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул HI. В любом случае, ДНК в ядрах эукариотических клеток образует иерархическую систему спиралей и петель, основной единицей которой является нуклеосома. Нуклеосомы, в свою очередь, расположены не везде строго одинаково. Эти малозаметные и малоизученные различия биологически очень важны, т.к. по-видимому, они преимущественно происходят в тех областях хроматина, где находятся активные гены. В S-период интерфазы процесс репликации каким-то образом, как - неизвестно, проходит через нуклеосомы родительской цепи хроматина, которые переходят на одну из дочерних спиралей ДНК. Тогда все новые октамеры гистонов присоединяются ко второй дочерней спирали ДНК, свободной от нуклеосом. Нуклеосомная структура сохраняется и во время транскрипции ДНК, хотя довольно трудно представить себе как РНК-полимераза может транскрибировать ассоциированную с гистонами ДНК без каких-либо заметных изменений в организации нуклеосомы. Но в клетках эмбрионов насекомых в области активированных генов для р-РНК, по-видимому, нуклеосомы отсутствуют. И биохимические отличия между транскрибируемым активным и неактивным хроматином обнаружены. В частности, HI соединен с нуклеосомами гораздо менее прочно в активном хроматине и вообще гистоны в этих участках обнаруживают более высокую степень ацетилирования. ^ Продольная организация хромосом высших организмов, в основе которой лежит взаимосвязь морфологических, химических и функциональных закономерностей, характеризуется линейной неоднородностью. Уже интерфазные хромосомы оказываются глубоко дифференцированными по степени конденсации хроматина, что первоначально было обнаружено с помощью световой микроскопии. Одни их участки становятся деконденсированными (эухроматин), другие остаются конденсированными (гетерохроматин). В метафазных хромосомах подразделение на эти два типа хроматина не исчезает. Оно проявляется в естественном ходе митотической конденсации: в ранней профазе районы гетерохроматина опережают в своей конденсации эухроматиновые участки. Остаточные явления неодинаковой конденсации интерфазной хромосомы обнаруживаются морфологически и в метафазе (в области вторичной перетяжки). Понятие "гетерохроматин" и "эухроматин" в результате цито - генетических исследований получили генетическое содержание. Гетерохроматин в отличие от эухроматина не содержит структурных генов или обеднён ими. В то же время эухроматин - это функционально активный, транскрибируемый хроматин, т.е. структура хроматина оказывает влияние на регуляцию экспрессии эукариотических генов. Подобно митотическому хроматину гетерохроматин не участвует в транскрипции, ДНК в составе гетерохроматина реплицируется в позднем периоде S-периода клеточного цикла. Биохимические основы наблюдаемых различий между гетеро- и эухроматином неизвестны. Некоторые участки хромосом конденсируются в гетерохроматин во всех клетках организма - это конститутивный гетерохроматин. Другие участки хромосом формируют гетерохроматин лишь в определенных клетках - факультативный гетерохроматин. ^ . В хромосомах человека он локализуется вокруг центромер и легко обнаруживается в митотических хромосомах с помощью специальной окраски, хотя может быть обнаружен и в других районах некоторых хромосом (1,9, 16, У). Подобное же состояние характерно для сателлитной ДНК и ДНК с высокоповторяюшимися последовательностями. Следовательно, большая часть конститутивного гетерохроматина содержит серии сравнительно простых, многократно повторяющихся последовательностей ДНК. В целом функция конститутивного гетерохроматина остается неясной. Предполагают, что некоторые сегменты этого хроматина играют определенную роль в спаривании хромосом в мейозе. Возможно, он влияет на стабилизацию структуры хроматина и защищает генетически значимые последовательности эухроматических районов от внешних воздействий, но классических менделевских генов здесь, скорее всего, нет. В интерфазной клетке участки конститутивного хроматина агрегируют с образованием хромоцентров, что мы видим в световой микроскоп в виде мельчайших "глыбок хроматина". У млекопитающих количество их и характер распределения варьирует в зависимости от типа клетки и стадии развития организма. ^ . Почти не вызывает сомнения, что он отражает устойчивые различия в характере генетической активности клеток разных типов, и количество этого хроматина в разных клетках варьирует: в эмбриональных клетках его совсем немного, тогда как высокоспециализированные клетки содержат его в чрезвычайно больших количествах, т.е. часть генов выключается из транскрипции. Факультативный гетерохроматин содержит уникальные участки ДНК, а не высокоповторяющиеся, и ничем не обнаруживает себя при окрашивании митотических хромосом. Подобный способ генетической регуляции бактериям недоступен. ^ - это инактивация одной из двух Х-хромосом в клетках женских особей млекопитающих, которая происходит на ранних стадиях эмбрионального развития (в трофобласте человека на 12-й день развития, а собственно в эмбрионе на 16-й день). Одновременно во всех клетках эмбриона женской особи с равной вероятностью одна или другая Х-хромосома конденсируется и образует гетерохроматин. Это состояние хромосомы устойчиво наследуется во всех последующих циклах репликации. Из-за этого каждый женский организм имеет как бы мозаичное строение, т.к. образован клональными группами клеток, примерно в половине которых гетерохроматизирована Х-хромосома, унаследованная по материнской линии, а в другой - Х-хромосома, унаследованная по отцовской линии. В интерфазе гетерохроматизированные Х-хромосомы представляют собой четко оформленные структурные образования, называемые тельцами Барра, которые близко прилегают к внутренней мембране ядра и хорошо различимы в световой микроскоп. Тельца Барра называются ещё глыбками полового Х-хроматина. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям