Адресная доставка полипептидов

Фаза инициации

У эукариот в области промотора транскриптона, включающего “знаковые” (узнаваемые белками) нуклеотидные последовательности (- тата -; - цаат -), образуется мультибелковый инициаторный комплекс. Среди белков комплекса – общие транскрипционные факторы, обусловливающие точную “посадку” на биспираль ДНК РНК-полимеразы, определение точки начала транскрипции и положения инициирующего кодона, взаимодействие с энхансерами и специфическими транскрипционными факторами. В месте “посадки” РНК-полимеразы биспираль ДНК расплетается и ее матричная цепь открывается для считывания биоинформации;

Осуществляется:

· ДНК – зависимыми РНК – полимеразами

· Оператором

· Промотором, содержащим блок Прибнова 5' - ТАТААТ - 3', который является стартом транскрипции

· Белковыми факторами инициации

Фаза элонгации

Наращивание РНК транскрипта идет в направлении 5́ → 3́; скорость транскрипции – 30 нуклеотидов/сек. “надежность” транскрипции – 1 ошибка на 2·104 включенных нуклеотида;

РНК-полимераза наращивает молекулу РНК транскрипта на 3́ конце путем присоединения из пула рибонуклеозидтрифосфатов – АТФ, ГТФ, УТФ и ЦТФ – требуемого рибонуклеозидмонофосфата;

У прокариот еще до окончания транскрипции на РНК транскрипте с 5́ конца начинается трансляция. У эукариот первоначально образуется пре-и(м)РНК транскрипт, который отсоединяется от матрицы и подвергается процессингу с образованием зрелых и(м)РНК. пре-РНК транскрипты образуются для рРНК и, возможно, для тРНК.

Регуляторы скорости транскрипции: энхансеры – (ускоряют) и сайленсеры (замедляют)

Фаза терминации

Процесс транскрипции завершается, когда РНК-полимераза, перемещаясь вдоль матричной цепи ДНК, достигает кодона-терминатора (АТТ, АТЦ, АЦТ).

По завершении транскрипции эукариотические и(м)РНК на 3́ конце полиаденилируются;

По завершении транскрипции пре-и(м)РНК транскрипт (пре-рРНК транскрипт и, возможно, пре-тРНК транскрипт) отсоединяется от матрицы ДНК и подвергается процессингу.

Терминация транскрипции осуществляется палиндромом, который образует шпилечную структуру или фигуру «креста»

Регуляция генной активности:

Эукариоты

Различают неспецифическую и специфическую регуляцию генной активности;

Механизм неспецифической регуляции работает на всех уровнях организации генетического аппарата (генном, хромосомном, геномном) и заключается в гетерохроматизации генетического материала;

Главные участники специфической регуляции генной активности: промотор, энхансеры и сайленсеры, общие и специфические транскрипционные факторы, белки ядерного матрикса, метилирование азотистых оснований днк (цитозина);

“ген-господин” контролирует синтез ключевого белка-регулятора экспрессии многих генов (“гены-рабы”).

Регуляция генной активности идет за счет специальных регуляторных белков, которые кодируются регуляторными генами

Прокариоты

Для прокариот характерен полицистронный (цистрон = структурный ген) принцип организации генной активности. Цистроны объединяются в единую функциональную систему- оперон. Оперон — это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований если они участвуют в одной цепи биохимических преобразований.

Лактозный оперон e. Coli. Негативная регуляция - в отсутствие в среде лактозы ген-оператор (часть промотора) заблокирован белком-репрессором (продукт гена-регулятора). Появившаяся лактоза инактивирует репрессор. Ген-оператор активируется, РНК-полимераза “допускается” к промотору и оперон транскрибируется; позитивная регуляция – основана на наличии белка-активатора (cap), который увеличивает сродство промотора к РНК-полимеразе и активирует оперон, но в условиях высокой концентрации цамф (ситуация глюкозного “голода”, необходим переход к использованию лактозы и некоторых др. Сахаров).

11) Транкриптон: единица генетической (транскрипционной) активности ДНК у эукариот.

Единица генетической активности ДНК у эукариот – транскриптон

Инициирующий транскрипцию кодон (ТАЦ –Метионин), за которым следует первый значимый Кодон;

Экзоны (функциональная часть: транскрибируются, транслируются)

Интроны (НЕинформативные участки: транскрибируются, НЕтранслируются)

Завершающий транскрипцию кодон-терминатор (АТТ, АТЦ или АЦТ), следующий за последним значимым кодоном;

 

12) Посттранскрипционные процессы – процессинг пре-и(м)РНК (гяРНК) транскрипта, сплайсинг гяРНК, ядерно-цитоплазматический транспорт и(м)РНК, ядерные и цитоплазматические информосомы.

После окончания транскрипции, как у прокариот, так и у эукариот происходит цепь биохимических реакций, которая приводит к созреванию молекул предшественников: транспортной РНК(пре-тРНК) и рибосомной РНК (пре-рРНК) и пре-мРНК (только у эукариот). Совокупность реакций, приводящая к формированию зрелой (готовой к трансляции) молекулы мРНК, называется процессингом.

Особенности транскрипции у эукариот. Процессинг мРНК. Процессннг включает следующие преобразования молекулы мРНК:

1) метилирование и кэпирование;

2) полиаденилирование;

3) сплайсинг.

Эукариотические мРНК несут, как правило, на 5'-конце дополнительную группу: КЭП-модифицированный в 7-положении метилированный остаток гуанозин-5'-трифосфата, соединенный с концевым нуклеозидом 5'-5'-способом, Кэпирование РНК осуществляется ферментами: гуанилтрансферазой и метилтрансферазой. Предполагают, что КЭП необходим для регуляции трансляции и для стабилизации мРНК, (он предохраняет ее от действия 5'-экзонуклеаз), К 3'-концу РНК после завершения ее синтеза с помощью фермента поли(А)-полимеразы присоединяется последовательность полиадениловой кислоты. Этот процесс называют полиаденилированием. Остальные варианты преобразования пре-мРНК: вырезание нитронов и сшивание экзонов (сплайсинг) в эукариотических генах, а также образование различных сочетаний экзонов, входящих в зрелую мРНК (альтернативный сплайсинг).

Эукариотические мРНК в отличие от прокариотических стабильны в течение часов и суток. Это объясняется, во-первых, стабилизацией 5'- и 3'-концов, а во-вторых, связыванием мРНК с белками (т.е. образованием информосом). Пре-мРНК на всех стадиях процессинга и после него связана с белками. Информосомы могут быть ядерными и цитоплазматическими. Ядерные информосомы - это рибонуклеопротеиновые (РНП) частицы с константой седиментации 30S.

Посттранскрипционный внутриядерный перенос пре-мРНК из ядра в цитоплазму осуществляется с помощью ядерных информосом. При этом переносе зрелой мРНК происходит замена связанных с мРН К белков. Ядерные информоферы (белковые глобулы) остаются в ядре, а мРНК после перехода в цитоплазму объединяется с новыми белками, образуя цитоплазматические информосомы. Цитоплазматические информосомы не обязательно транслируются, т.е. могут быть свободными.

 

Пре-и(м)рнк транскрипт эукариот содержит транслируемую (соответствует экзонам ДНК) и нетранслируемую (соответствует интронам ДНК) части;

В области сплайосом транскрипт разрывается и интронные участки удаляются;

Экзонные участки пре-и(м)РНК транскрипта соединяются – сплайсинг – с образованием зрелых и(м)РНК;

Зрелые и(м)РНК комплексируются с белками (информоферы) – ядерные информосомы, которые перемещаются к ядерной оболочке (возможно, к порам);

Сплайсинг - вырезание интронов и сшивание экзонов (сплайсосомы –мярнк + белки) идет в ядре

Альтернативный сплайсинг - путем различных комбинаций экзонных участков из одного пре-и(м)РНК транскрипта образуется несколько зрелых и(м)РНК.

Кепирование – на 5,-конце мрнк образуется защита – кэп(шапочка) путем + метилированного гуанозина ч/з остаток фосфорной кислоты)

Полиаденилирование – на 3, конце мрнк защита – «поли (а)хвост» идет + адениловых остатков (до200)

 

13) Трансляция биоинформации – рибосомный цикл. Биосинтез белка.

Трансляция - перевод нуклеотидной последовательности мРНК в аминокислотную последовательность полипептида. Осуществляется в цитоплазме на рибосомах (на шЭПС, в гиалоплазме) Участвуют: мРНК, рРНК, тРНК, белковые факторы

В названном комплексе и(м)РНК несет биоинформацию о последовательности аминокислот в полипептиде; рибосомы создают условия для пространственного взаиморасположения участников процесса и для осуществления требуемых каталитических и регуляторных актов; тРНК “транслирует” нуклеотидный текст в аминокислотный;

Трансляция, начавшись, идет, не прерываясь, вплоть до завершения; субъединицы рибосом, тРНК, некоторые белки участвуют в процессе неоднократно – “рибосомный цикл биосинтеза белков”; начало и окончание трансляции задаются однозначно сигнальными кодонами и(м)РНК – инициирующим и терминатором;

Трансляция – матричный процесс; в нем выделяют фазы инициации, элонгации и терминации;

Фаза инициации

1. Включение в пептидную цепь в качестве первой а. К. – модифицированного МЕТИОНИНА, с которого начинается ВСЕ синтезы пептидов.

2. Инициаторная тРНК с а.к. - метионин узнает малую субъединицу рибосом с помощью Белковых Факторов Инициации

3. Малая субъединица рибосом узнает мРНК и ее инициирующий кодон стартовый - АУГ

4. Образуется комплекс Малая субъединица рибосом + тРНК + мРНК

5. Формируются участки ФЦР: А – центр, где устанавливается связь «кодон –антикодон» и П –центр, где образуются пептидные связи между аминокислотами.

Фаза элонгации

Фаза элонгации – циклический процесс: с каждым очередным шагом строящийся полипептид удлинняется на один аминокислотный остаток;

Влючает в себя 3 этапа.

На первом этапе молекула аминоацил-тРНК связывается со свободным участком рибосомы, примыкающим к занятому Р-участку. Связывание осуществляется путем спаривания трех нуклеотидов антикодона с тремя нуклеотидами иРНК, находящимися в А-участке.

На втором этапе карбоксильный конец полипептидной цепи отделяется в Р-участке от молекулы тРНК и образует пептидную связь с аминокислотой, присоединенной к молекуле тРНК в А-участке.Соединение аминокислот в цепи возможно потому, что у каждой из них имеются две разные химические группы: обладающая основными свойствами аминогруппа, NH2, и кислотная карбоксильная группа, СООН. Карбоксильная группа одной аминокислоты может образовать амидную (пептидную) связь с аминогруппой другой аминокислоты.

На третьем этапе новая пептидил-тРНК переносится в Р-участок рибосомы, в то время как рибосома продвигается вдоль молекулы иРНК ровно на три нуклеотида. Таким образом, в результате элементарного элонгационного цикла полипептид удлиняется на одну аминокислоту.

События повторяются до момента, когда в а-центре рибосомы появится кодон-терминатор и(м)рнк (уаа, уаг, уга), для которого нет трнк с комплементарным антикодоном;

Фаза терминации

Завершения синтеза полипептида, связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ или У ГА), когда тот входит в зону А-участка рибосомы. При этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода, и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК. В результате завершенная пептидная цепь теряет связь с рибосомой, которая распадается на две субчастицы.

Прокариотическая клетка

Принципиально процесс трансляции у прокариот следует той же схеме, что и у эукариот;

Рибосомы прокариот имеют меньшие размеры – 70s (80s), также как малая – 30s (40s) и большая -50s (60s) субъединицы; в рибосомальных субъединицах прокариот меньше белков – 21 (30) в малой и 34 (45) в большой;

Хотя у прокариот цистороны одного оперона транскрибируются единым болоком, процесс трансляции происходит поцистронно: каждый цистрон имеет отдельный инициирующий кодон (триплет аминокислоты формилметионина) и кодон-терминатор; хотя трансляция у прокариот происходит поцистронно, синтез разных полипептидов оперона регулируется единым образом;

14) Посттрансляционные процессы – приобретение пептидами третичной и четвертичной структур. Адресный транспорт полипептидов, детекция и уничтожение функционально дефектных полипептидов. Регуляция количества образуемых белков.

Последовательность аминокислотных остатков в полипептиде составляет его первичную (линейную,одномерную) структуру, определяемую последовательностью нуклеотидов в гене непосредственно;.

Функциональная активность белков в клетке и/или организме связана с приобретением третичной (трехмерной, объемной) структуры путем фолдинга (сворачивания), а также с объединением простых белков (полипептидов) в ди-/мультимерные гомо- или гетеробелковые комплексы.

Предположительно фолдинг может происходить

· случайно путем образования объемной структуры до момента, когда находится вариант с минимальной свободной энергией; расчеты говорят, что на это необходимы млн. Лет, в клетке это занимает минуты;

· Модульный принцип требует участия специальных белков – либо ферментов,либо молекулярных шаперонов(Молекулярные шапероны – семейство специализированных белков, обеспечивающих быстрое нахождение полипептидом правильной трехмерной структуры (фолдинг) и адресную доставку полипептидов в органеллу, например, в митохондрию;

Шапероны участвуют в фолдинге, не определяя трехмерную структуру; это функция аминокислотной последовательности;

 

Гены и здоровье

Болезни людей с доминирующей или выраженной наследственной составляющей:

Генные/моногенные болезни (гб/мгб) числом порядка 4,5 тыс., диагностируются у 3 детей из 1000, частота в популяциях – в среднем по миру 3%, в разных регионах россии – 4,2-6,5%;

При мгб известно первичное звено поражения фенотипа:

болезни ионных каналов, коллагенопатии, накопления, обмена веществ, гемоглобинопатии и т.п.;

Мгб характеризуются определенным типом наследования;

Мультифакториальные заболевания (мфз): частота – 1,5%, на их долю приходится 94-96% хронической неинфекционной патологии; при мфз наблюдается выраженная генетическая предрасположенность, но необходим “разрешающий” фактор;

Онкогенные болезни (огб): 90% огб относится к категории мфз, 10% - к категории мгб;

Врожденные пороки развития (впр);

Клинические проявления мгб многообразны; основа патогенеза – отсутствие определенного продукта, повышенное образование продукта, образование измененного продукта; важно - генные мутации происходят не только в структурных генах; генокопирование и фенкопирование;

 

17) Хромосомы – структурные компоненты ядра. Структура и функции хромосом, их динамика в клеточном и митотическом цикле. Хромосомы и здоровье человека.

Хромосомы – нуклеопротеидные структуры в ядрах эукариот, которые являются единицами морфологической организации генетического материала и обеспечивают его точное распределение при делении клетки. Число хромосом в клетках каждого биологического вида постоянно.

Строение.

1)Центромера (первичная перетяжка) это место соединения двух хроматид; к центромере присоединяются нити веретена деления.

По сторонам от центромеры лежат плечи хромосомы. В зависимости от места расположения центромеры хромосомы делят на:

o акроцентрические (палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом);

o субметацентрические (неравноплечие, напоминающие по форме букву L);

o метацентрические (V-образные хромосомы, равноплечие).

2)Вторичная перетяжка – ядрышковый организатор, содержит гены рРНК, имеется у одной – двух хромосом в геноме. Теломеры – концевые участки хромосом, содержащие до 10 тысяч пар нуклеотидов с повторяющейся последовательностью. Хромосомы состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс—хроматин, получивший свое название за способность окрашиваться основными красителями.

Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.

Функция хромосом заключается:

- В хранении наследственной информации. Хромосомы являются носителями генетической информации.

- В передаче наследственной информации. Наследственная информация передается путем репликации молекулы ДНК.

- В реализации наследственной информации. Благодаря воспроизводству того или иного типа и-РНК и соответственно того или иного типа белка осуществляется контроль над всеми процессами жизнедеятельности клетки и всего организма.

 

Хромосомы сохраняют свою структурную целостность на протяжении всего митотического (клеточного) цикла; Структура хромосом меняется путем изменения степени компактизации (уплотнения) ее материала по длине;

 

Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» считывания информации с молекулы ДНК.

В первой половине митоза хромосомы состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.

Гетерохроматин — участки хроматина, находящиеся в течение клеточного цикла в конденсированном (компактном) состоянии. Особенностью гетерохроматиновой ДНК является крайне низкая транскрибируемость.

ЭУХРОМАТИН - вещество хромосомы, сохраняющее деспирализованное (диффузное) состояние в покоящемся ядре и спирализующееся при делении клеток. Содержит большинство структурных генов организма.

 

Описано порядка 1000 хромосомных синдромов (хромосомных болезней): в перечень включены синдромы, обусловленные изменением числа отдельных хромосом – моносомии, трисомии;

Согласно современным данным – не менее 50% спонтанных (самопроизвольных) абортов или выкидышей обусловлено хромосомными мутациями; частота хромосомных аномалий среди новорожденных – 0,7%, среди мертворожденных – 5%; хромосомные аномалии у 2-х - 4-х недельных абортусов – 60 -70%, у абортусов 1-го триместра беременности – 50%, у абортусов 2-го триместра – 25-30%; у плодов, погибших после 20 недель беременности, – 7%;

Признаки, указывающие на возможность хромосомной аномалии: отставание ребенка в физическом и психическом развитии, карликовость, черепно-лицевой дисморфизм, пороки развития внутренних органов;

Вероятность рождения ребенка с хромосомной аномалией выше, если возраст женщины 35 лет и более; хромосомные мутации наследуются ребенком чаще от матери; если в семье есть ребенок с хромосомной мутацией, то вероятность 2-го больного ребенка выше;

Синдром «кошачьего крика» Делеция короткого плеча хромосомы 5 - 5p-

Синдром Патау 1:6000 Ж:М 1:1 Трисомия 13 47(+13).95% умирает в первый год

Синдром Эдвардса 1:7000 Ж>М 4:1 Трисомия 18 47 (+18). Продолжительность жизни 2-3 месяца

 

18) Хромосомные мутации – инструмент комбинативной генотипической изменчивости: изменение дозы генов, перераспределение генов между хромосомами, изменения положения генов в хромосоме. Типы хромосомных мутаций.

Хромосомные мутации, в отличие от генных, не дают новой биологической (генетической) информации; они – инструмент комбинативной генотипической изменчивости. Заключаются в сокращении или увеличении числа определённых генов (изменение дозы генов), перераспределении генов между хромосомами, изменении положения генов в хромосоме;

Структурной предпосылкой хромосомной мутации является нарушение ее целостности - разрыв;

Комбинативная наследственная изменчивость возникает в результате обмена гомологичными участками гомологичных хромосом в процессе мейоза, а также как следствие независимого расхождения хромосом при мейозе и случайного их сочетания при скрещивании. Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями, но и сочетаниями отдельных генов и хромосом, новая комбинация которых при размножении приводит к изменению определенных признаков и свойств организма. Такой тип изменчивости называют комбинативной наследственной изменчивостью. Новые комбинации генов возникают:

1) при кроссинговере, во время профазы первого мейотического деления;

2) во время независимого расхождения гомологичных хромосом в анафазе первого мейотического деления;

3) во время независимого расхождения дочерних хромосом в анафазе второго мейотического деления

4) при слиянии разных половых клеток. Сочетание в зиготе рекомбинированных генов может привести к объединению признаков разных пород и сортов.

Различают два основных типа хромосомных мутаций: численные хромосомные мутации и структурные хромосомные мутации.

В свою очередь численные мутации делятся на ан-эуплоидии, когда мутации выражаются в утрате или появлении дополнительной одной либо нескольких хромосом, и полиплоидии, когда увеличивается число гаплоидных наборов хромосом. Потерю одной из хромосом называют моносомией, а возникновение дополнительного гомолога у любой пары хромосом — трисомией.

Структурные хромосомные мутации представлены транслокациями (реципрокными и робертсоновскими), делециями, инсерциями, инверсиями (парацентрическими и перицентрическими), кольцами и изохромосомами. -

Внутрихромосомные аберрации — аберрации в пределах одной хромосомы. К ним относятся делеции, инверсии и дупликации.

Делеция — утрата одного из участков хромосомы (внутреннего или терминального), что может стать причиной нарушения эмбриогенеза и формирования множественных аномалий развития (например, делеция в регионе короткого плеча хромосомы 5, обозначаемая как 5р-, приводит к недоразвитию гортани, ВПР сердца, отставанию умственного развития). Этот симптомокомплекс обозначен как синдром кошачьего крика, поскольку у больных детей из-за аномалии гортани плач напоминает кошачье мяуканье.

Инверсия — встраивание фрагмента хромосомы на прежнее место после поворота на 180°. В результате нарушается порядок расположения генов.

Дупликация — удвоение (или умножение) какого-либо участка хромосомы (например, трисомия по короткому плечу хромосомы 9 приводит к появлению множественных ВПР, включая микроцефалию, задержку физического, психического и интеллектуального развития).

Межхромосомные аберрации — обмен фрагментами между негомологичными хромосомами. Они получили название транслокаций. Различают три варианта транслокаций: реципрокные (обмен фрагментами двух хромосом), нереципрокные (перенос фрагмента одной хромосомы на другую), робертсоновские (соединение двух акроцентрических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч, в результате образуется одна метацентрическая хромосома вместо двух акроцентрических).

Изохромосомные аберрации — образование одинаковых, но зеркальных фрагментов двух разных хромосом, содержащих одни и те же наборы генов. Это происходит в результате поперечного разрыва хроматид через центромеры (отсюда другое название — центрическое соединение).

 

19) Митотический (пролиферативный) цикл клетки. Фазы митотического цикла. Главные механизмы пролиферативного цикла. Регуляция митоза. Амитоз. Эндомитоз, политения, их значения.

Клеточный цикл – это период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.

Обязательным компонентом клеточного цикла является митотический цикл – комплекс взаимосвязанных и детерминированных хронологических событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того, в жизненный цикл включается период выполнения клеткой многоклеточного организма специальных функций, а также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки неопределенна: она может либо начать подготовку к митозу, либо стать на путь специализации.

Главные события митотического цикла заключаются в редупликации (самоудвоении) наследственного материала материнской клетки и в равномерном распределении этого материала между дочерними клетками. По двум главным событиям митотического цикла в нем выделяют репродуктивную (интерфаза) и разделительную (митоз) фазы.

В митотическом цикле выделены 4 периода – митоз (М), а также пресинтетический (G1), синтетический (S) и постсинтетический (G2) периоды интерфазы. Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от 10 до 50 ч. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов.

Митотический цикл включает следующие части:

1. Интерфаза. Занимает 90% времени и включает три периода:

G1 – пресинтетический период (постмитотический) – активный синтез всех белков, построение структур, рост клетки;

S– синтетический – синтез ДНК, продолжается синтез белков, накопление АТФ и активная работа клетки;

G2 - постсинтетический, премитотический – снижается активность клетки, синтез сократительных белков, удвоение пластид, митохондрий и клеточного центра, набухает ядро и к концу клетка выключается из работы и таким образом интерфаза закончена.

2. Митоз – разделительная фаза (10% времени). В митозе можно выделить 4 фазы:

a) В профазе происходит перестройка всей структуры ядра для деления. Ядро увеличивается в объеме, хромосомы становятся видимыми вследствие спирализации, постепенно исчезает ядрышко, растворяется ядерная оболочка, центриоли попарно расходятся к полюсам. Между полюсами протягиваются нити ахроматинового веретена — формируется аппарат, обеспечивающий расхождение хромосом к полюсам клетки. Считывание генетической информации с молекул ДНК становится невозможным: синтез РНК прекращается, ядрышко исчезает. После окончательного распада ядерной оболочки хромосомы беспорядочно размещаются в цитоплазме.

b) В метафаз е спирализация хромосом достигает максимума. Отчетливо видна структура хромосом, их легко сосчитать и изучить их индивидуальные особенности. На этой стадии видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных между собой только в области центромеры. Хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Образуется экваториальная (метафазная) пластинка. Веретено деления уже полностью сформировано и состоит из нитей, соединяющих полюса с центромерами хромосом.

c) В анафазе вязкость цитоплазмы уменьшается, центромеры разъединяются и каждая хроматида становится самостоятельной хромосомой. Нити веретена, прикрепленные к центромерам, тянут хромосомы к полюсам клетки. Таким образом, в анафазе хроматиды, удвоенных еще в интерфазе хромосом, точно расходятся к полюсам клетки. В этот момент в клетке находятся два двойных набора хромосом. Число хромосом в соматических клетках всегда парное (диплоидное). Оно образуется после слияния двух половых клеток, в которых всегда бывает одинарное (гаплоидное) число хромосом. Каждый гаплоидный набор обозначается через п, а диплоидный —через 2п. Количество ДНК, соответствующее диплоидному набору хромосом, обозначается как 2с. Два диплоидных набора хромосом, образовавшиеся на стадии анафазы, обозначаются как 4и4с.

d) Телофаза — заключительная фаза митоза. Хромосомы деспирализуются, становятся плохо заметными, но не исчезают. На каждом полюсе клетки вокруг хромосом образуется ядерная оболочка из мембранных структур цитоплазмы. Воссоздаются ядрышки.

П: 2n4c; М: 2n4c; А: 2n2c – 4n4c; Т: 2n2c

 

На заключительном этапе клеточного деления происходит цитокинез — деление цитоплазматической части клетки. Этот процесс заканчивается образованием в экваториальной зоне клетки перетяжки, которая разделяет делящуюся клетку на две дочерние меньших размеров.

Регуляция клеточного цикла осуществляется окружающими клетками и гуморальными факторами. Существенную роль играют циклоны (особые белки, образующиеся под действием генетической программы), они индуцируют митоз, контролируют длительность его периодов. У животных обнаружены биологически активные вещества (кейлоны), которые показывают насколько они способны ингибировать деление клеток и синтез ДНК.

 

Амитоз – прямое деление ядра клетки, без формирования веретена деления. В норме он наблюдается в высокоспециализированных тканях, в клетках, которым уже не предстоит делиться: в эпителии и печени позвоночных, в зародышевых оболочках млекопитающих, в клетках эндосперма семени растений. Амитоз наблюдается также при необходимости быстрого восстановления тканей (после операций и травм). Амитозом также часто делятся клетки злокачественных опухолей.

 

Эндомитоз – процесс умножения числа хромосом в ядрах клеток без образования веретена деления и без деления клеток, в результате чего возникают ядра с увеличенным числом хромосом — полиплоидные ядра. Так возникают двухъядерные клетки (например, клетки печени у человека). В результате серии эндомитоза возникают гигантские полиплоидные клетки красного костного мозга – мегакариоциты. ∞n∞c

 

Политения – наличие в ядре некоторых соматических клеток гигантских многонитчатых (политенных) хромосом возникших в результате многократного удвоения ДНК без деления клетки.

Политенные хромосомы, так как содержат большое число копий генов, усиливают их экспрессию. Это, в свою очередь, увеличивает производство необходимых специализированной клетке белков. Обнаружена в слюнных железах ряда двукрылых. 2n∞c

 

20) Мейоз как процесс формирования гаплоидных клеток. Рекомбинация наследственного материала как резерв наследственной (генотипической) изменчивости и основа преадаптации. Генетический груз, его значение.

 

Мейоз – это процесс образования гаплоидных клеток, т. е. клеток, имеющих половинный набор хромосом. Его можно рассматривать как второй тип деления клеток. Мейоз также можно рассматривать и как специфичный вариант клеточной дифференцировки. Таким способом образуются половые клетки (гаметы) и споры.

Мейоз состоит из двух последовательных делений: редукционное деление (мейоз-1) и эквационное деление (мейоз-2). В каждом из них различают 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Таким образом, весь процесс мейоза условно можно разбить на 8 этапов, плавно переходящих один в другой. Мейоз начинается после S-периода, т. е. после репликации хромосом.

Профаза-1. Наиболее сложная, длительная и важная стадия мейоза. Помимо процессов, аналогичных процессам профазы митоза (спирализация хромосом, разрушение ядерной мембраны, исчезновение ядрышка, образование веретена деления), определяющее значение для всего последующего процесса имеет конъюгация гомологичных хромосом – синапсис. Соединенные пары гомологов называются бивалентами.

Гомологичные хромосомы связывает особая структура, образованная из белков кариоплазмы – синаптонемный комплекс (СК). В бивалентах гомологичные хромосомы могут обмениваться гомологичными участками. Такой процесс называется кроссинговером.

В связи с длительностью и многообразием процессов профазы-1 ее обычно подразделяют на 5 подстадий.

Лептотена – начало спирализации и уплотнения хромосом.

Зиготена – начало (с отдельных участков) и завершение синапсиса гомологичных хромосом. Происходит формирование СК.

Пахитена – укорочение и утолщение бивалентов (стадия толстых нитей).

Диплотена – гомологичные хромосомы бивалентов начинают расходиться (разрушается СК), но они связаны в нескольких зонах контакта – хиазмах. Число хиазм в биваленте может быть различным (обычно 2–3), в длинных хромосомах больше, чем в коротких. Хиазмы часто показывают, что между хроматидами происходит кроссинговер.

Диакинез – хромосомы достигают максимальной спирализации. Исчезают хиазмы, и к концу диакинеза хромосомы остаются связанными только в теломерных участках.

В конце профазы-1 центриоли расходятся к полюсам клетки.

Метафаза-1. Завершается формирование веретена деления. Биваленты концентрируются в экваториальной плоскости клетки.

Анафаза-1. Гомологичные хромосомы расходятся к полюсам клетки. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных общей центромерой.

Телофаза-1. Обычно очень короткая. У полюсов клетки группируются гаплоидные наборы хромосом, в которых представлен только один из пары гомологов. Восстанавливаются структура ядра и ядерная мембрана. Происходит частичная деспирализация хромосом. В конце телофазы-1 наступает цитокинез и образуются две клетки с гаплоидным набором хромосом.

После телофазы-1 вновь образованные клетки сразу вступают в мейоз-2, который проходит по типу обычного митоза.

Профаза-2. Частично деспирализованные хромосомы хорошо различимы. Начинается процесс обратной спирализации хромосом. Разрушается ядерная мембрана, формируется веретено деления, центриоли начинают расходиться к полюсам клетки.

Метафаза-2. Хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости. Центромеры прикрепляются к микротрубочкам образованного веретена деления.

Анафаза-2. Происходит разделение центромер, и каждая хроматида становится самостоятельной хромосомой. Дочерние хромосомы направляются к полюсам клетки.

Телофаза-2. Формируются новые ядра с гаплоидным набором хромосом. Хромосомы деконденсируются. Наступает цитокинез.

В результате мейоза образуются из 1 клетки 4 дочерние - генетически разнородные с гаплоидным набором.

Важным следствием мейоза является обеспечение генетического разнообразия гамет в результате рекомбинации хромосом и кроссинговера. Мейоз создает возможность для возникновения в гаметах новых генных комбинаций, что ведет к изменениям в генотипе и фенотипе потомства.

Кроссинговер. Этот процесс происходит в профазе I мейоза в то время, когда гомологичные хромосомы тесно сближены в результате конъюгации и образуют биваленты. В ходе кроссинговера осуществляется обмен соответствующими участками между взаимно переплетающимися хроматидами гомологичных хромосом. Этот процесс обеспечивает перекомбинацию отцовских и материнских аллелей генов в каждой группе сцепления. В разных предшественниках гамет Кроссинговер происходит в различных участках хромосом, в результате чего образуется большое разнообразие сочетаний родительских аллелей в хромосомах.

Расхождение бивалентов в анафазе I мейоза. В метафазе I мейоза в экваториальной плоскости ахромативнового веретена выстраиваются биваленты, состоящие из одной отцовской и одной материнской хромосомы. Расхождение гомологов, которые несут разный набор аллелей генов в анафазе I мейоза, приводит к образованию гамет, отличающихся по аллельному составу отдельных групп сцепления

В связи с тем, что ориентация бивалентов по отношению к полюсам веретена в метафазе I оказывается случайной, в анафазе I мейоза в каждом отдельном случае к разным полюсам направляется гаплоидный набор хромосом, содержащий оригинальную комбинацию родительских групп сцепления. Разнообразие гамет, обусловленное независимым поведением бивалентов, тем больше, чем больше групп сцепления в геноме данного вида. Оно может быть выражено формулой 2n, где п — число хромосом в гаплоидном наборе. У человека п = 23, и разнообразие гамет, обусловленное этим механизмом, соответствует 223, или 8388608.

Кроссинговер и процесс расхождения бивалентов в анафазе I мейоза обеспечивают эффективную рекомбинацию аллелей и групп сцепления генов в гаметах, образуемых одним