КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

1. Роль ядра и цитоплазмы в наследственности

2. Хромосомы эукариот. Митоз

3. Мейоз

4. Кариотип

Роль ядра и цитоплазмы в наследственностиМатериальная и информационная преемственность между поколениями организмов, размножающихся поло­вым путем, осуществляется в процессе оплодотворения, т. е. слияния мужской и женской половых клеток. Следовательно, носителем наследственной информации является клетка — универсальная единица структурно-функциональной организации живой материи. Это положение рас­пространяется и на организмы с бесполым типом размно­жения. В ходе эволюции на Земле сформировались два типа клеточной организации — эукариотический и прокариотический. У эукариот протоплазматическая масса клетки чётко разделена на ядро и цитоплазму вследствие того, что ядерный материал отграничен мембраной. У прокариот ядерный материал не обособлен от цитоплазмы. Вирусы представляют собой неклеточную форму живой материи.

Существует много доказательств того, что материаль­ные носители наследственности локализованы почти исклю­чительно в ядре. Приведем три из них. Т. Бовери еще в кон­це прошлого века в опытах по гибридизации двух видов морских ежей (Psammechinus microtuberculatus и Sphaerichinus granularis), имевших четкие морфологические различия, показал, что особи, развившиеся после опло­дотворения энуклеированных (безъядерных) фрагментов яиц Sphaerichinus спермой Psammechinus, развиваются в личинки с анатомическим строением Psammechinus.

Автор пришел к выводу, что наследственные признаки у морских ежей определяются только ядром.

К такому же выводу привели и эксперименты с одно­клеточной водорослью ацетабулярией, которые провел Р.Геммерлинг. В период вегетативного цикла эта водо­росль представляет собой крупную одноядерную клетку, имеющую форму шляпочного гриба или зонтика. Ядро расположено в ризоиде — «корешке». Длина стебелька достигает 6 см. Различные виды ацетабулярии имеют спе­цифическую форму шапочки. Если с помощью микроманипулятора сконструировать трансплантат, состо­ящий из стебелька незрелого (т. е. еще не развившего шапочку) растения одного вида и ризоидной системы дру­гого, то выросшее растение будет иметь ядро одного вида и часть цитоплазмы другого. Такие растения в зависимо­сти от доли цитоплазмы вида, которому не принадлежит ризоид с ядром, в той или иной мере будут проявлять промежуточные признаки. Однако если удалить такую шапочку, то на ее месте разовьется новая, полностью по­вторяющая признаки вида, которому принадлежит ядро. Из этих данных можно заключить, что форму шапочки определяет некая субстанция в цитоплазме, которая сама полностью контролируется ядром. Этот вывод позже был подкреплен экспериментом по пересадке изолированных ядер из ризоида одного вида в стебелек другого вида. По­добные опыты в настоящее время проведены на многих объектах и особенно успешно на амфибиях.

Б.Л.Астауров, основываясь на резко различной чувстви­тельности ядра и цитоплазмы к ионизирующим излучениям, по­казал решающую роль ядра в определении признаков много­клеточных организмов. Он об­лучал яйцеклетки бабочек шел­копряда рентгеновскими луча­ми так, чтобы инактивировать их ядра, в то время как цитоплазма при данных дозах облучения полностью сохра­няла способность обеспечивать дальнейшее развитие организ­ма. Затем эти яйцеклетки осеменяли, и ядра зиготы образовывались путем слияния ядер двух спермиев. В результате из таких яиц развива­лись только самцы (андрогенез), имевшие в случае меж­видовых гибридов признаки исключительно отцовского вида.

Таким образом, можно заключить, что по крайней мере у ядерных организмов факторы наследственности распре­делены в клетке не случайно: они сосредоточены в ядре. Хотя позже и было установлено, что небольшая часть на­следственного материала содержится и в цитоплазме, это не поколебало вывод о том, что ядро — основной храни­тель наследственной информации.

Ядро. Ядро является центром, управляющим жизнедеятельностью всей клетки и координирующим её. Оно имеет сложное строение, изменяющееся на разных фазах жизненного цикла клетки. В неделящейся клетке (интерфазе) ядро занимает ~10-20% её объёма. Оно окружено ядерной оболочкой (мембраной), пронизанной порами, через которые осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой.

Внутри ядра находится хроматин, одно или несколько ядрышек и ядерный сок (кариолимфа, нуклеоплазма).

В ядерном соке в световом микроскопе можно различить сетчатую структуру с глыбками хроматина. По данным электронной микроскопии, эта сеть есть не что иное, как хромосомы, которые становятся хорошо различимыми только во время деления клетки.

Ядрышки – тельца, связанные с хромосомами, содержат большое количество рибонуклеиновой кислоты (РНК). В них происходит синтез одной из РНК клетки (рРНК), а также образование рибосом, на которых идёт синтез белка в клетке.

Цитоплазма клетки.Цитоплазма наряду с ядром является главным компонентом клетки, с ней связан обмен веществ. Цитоплазма на 85% состоит из воды, на 10% из белков, на 5% из других соединений. Она обладает рядом органелл, ответственных за энергетический и химический обмен клетки. Часть из них включает в себя молекулы ДНК, содержит внеядерные гены. Энергия в клетке вырабатывается особыми организмами, получившими название митохондрий. Митохондрии вырабатывают АТФ, являющийся веществом, богатым энергией. Макроэнергетические связи АТФ являются главным источником энергии в клетках.

Важнейшими органеллами растительной клетки являются пластиды. Пластиды, как и митохондрии, способны самовоспроизводиться.

Электронно-микроскопические исследования в цитоплазме обнаружили мембраны и канальца, связанные с мембранами ядерной оболочки. Эта система называется эндоплазматическим ретикулумом, состоит из белков и фосфолипидов. В цитоплазме находятся субмикроскопические частицы – рибосомы, состоящие из белка и РНК. В рибосомах осуществляется синтез белка, в их состав входит до 90% РНК клетки.

Аппарат Гольджи, по-видимому, накапливает и секретирует вещества, синтезированные в клетке; он может исчезать и вновь появляться в клетках. Проблема строения и биохимии цитоплазмы с точки зрения генетики в первую очередь должна рассматриваться в свете ядерно-цитоплазматических взаимоотношений, т.е. в свете проблемы переноса генетической информации из ядра в цитоплазму и в свете проблемы влияния цитоплазмы на генетическую информацию ядра.

Современными исследованиями показано многообразие структурно-биохимического выражения процессов взаимоотношения ядра и цитоплазмы. Большое значение в этих процессах имеют клеточные ядерные мембраны. Цитоплазматические мембраны в клетке оказались структурами, активными в физиологическом отношении и находятся под генетически контролем. Вместе тем они могут быть регуляторами поведения хромосом и действия генов. Контакт хромосомы с мембранной оболочкой обеспечивает удвоение хромосомных бактерий и т.д. Большое внимание современных исследований обращено на плазмиды. Они представлены в клетках внеядерными, внехромосомными автономно размножающимися небольшими кольцевыми молекулами ДНК.

Процессы, идущие в цитоплазме, обеспечивают ход метаболизма, т.е. обмен веществ. Они состоят из синтеза и распада.

Основные строительные блоки клетки, в частности аминокислоты – блоки белков и нуклеотиды – блоки нуклеиновых кислот, синтезируются из глюкозы и аммиака в результате одной-двух тысяч различных химических реакций. Для синтеза этих соединений нужна химическая энергия, которая получается клеткой при последовательном окислении глюкозы до CO₂ в реакциях гликолиза и цикла трикарбоновых кислот. Высвобождающаяся при этом энергия связывает в макроэнергетических связях молекулы АТФ путём фосфорилирования неорганического фосфора молекул АДФ.

Синтез веществ клетки не может происходить без катализаторов, коими являются ферменты. Тысячи ферментов катализируют разнообразные химические реакции в клетках. Поскольку каждый из ферментов своим проявлением обязан программирующему действию соответствующего гена, это обеспечивает глубокий всесторонний контроль со стороны генетической программы над всеми биохимическими процессами в клетке.

Последовательность аминокислот в полипептидах целиком программируется составом нуклеотидов, входящих в каждый из генов. Это свидетельствует о том, что воспроизведение живых форм, основанное на воспроизведение типа и особенностей обмена веществ, является следствием реализации в клетке присущей ей генетической информации.

Хромосомы эукариот. Митоз.В 80-х годах XX столетия в ядрах эукариотических клеток были открыты нитевидные струк­туры (В. Флемминг, Э. Страсбургер, Э.Ван Бенеден), на­званные В. Вальдейером (1888 г.) хромосомами (от греч. chroma — цвет, окраска, soma — тело). Этим термином было подчеркнуто сильное сродство хромосом по сравне­нию с другими клеточными органеллами к основным кра­сителям. В течение последующих 10-15 лет большинством биологов было подтверждено, что именно хромосомы слу­жат материальными носителями наследственности.

Хромосомы особенно четко видны во время делений клеток, однако факт непрерывности их существования и в неделящихся ядрах сомнений не вызывает. Основная особенность функциональных превращений хромосом состоит в цикле компактизации — декомпактизации. В компактизованном состоянии хромосомы представляют собой короткие толстые нити, видимые в световой микро­скоп. В результате декомпактизации хромосомная нить становится невидимой в световой микроскоп, поэтому ядра многих живых клеток выглядят оптически пустыми. Пре­вращения хромосом строго зависят от фаз клеточного цикла, поэтому их особенности могут рассматриваться только применительно к той или иной фазе цикла. Про­межуток времени между окончанием одного клеточного деления — митоза и окончанием последующего назы­вается митотическим циклом. Таким образом, митотический цикл включает митоз и промежуток между митозами — интерфазу. Интерфаза состоит из трех периодов: центрального — фазы синтеза ДНК (S), когда генетический ма­териал удваивается, а также предсинтетического (G₁) и постсинте­тического (G₂), после которого клетка всту­пает в митоз (M). После фазы синтеза ДНК в G₂-периоде и в митозе, вплоть до анафазы, в хромосоме обнаружи­ваются две нити, назы­ваемые сестринскими хроматидами. Основной химический компонент хромосом — молекулы ДНК. Содержание ее в ядрах соматических клеток в два раза больше, чем в ядрах зрелых половых клеток. Эти два типа клеток отличаются друг от друга и по числу хромосом. Число хромосом — n в соматических клетках и количество ДНК — c (от англ. content — содержание) в них обозначают как диплоидное (2n хромосом, 2c ДНК), а в зрелых половых клетках — как гаплоидное (n хромосом, с ДНК). После фазы син­теза ДНК в соматических клетках число хромосом не изме­няется (2n), однако каждая из них содержит две сестрин­ские хроматиды, т. е. идентичные молекулы ДНК, поэтому содержание ДНК в ядрах G₂-фазы 4 с.

Митоз,или непрямое деление, — основной способ раз­множения эукариотических клеток, обусловливающий, в частности, возможность увеличения их биомассы, рост и регенерацию. Митоз состоит из четырех фаз.

Первая — профаза — характеризуется началом цикла компактизации хромосом, который продолжается в тече­ние всей этой фазы. Вследствие этого хромосомы стано­вятся видимыми под микроскопом, причем уже в средней профазе митоза они представляются двойными структу­рами — сестринскими хроматидами, закрученными одна вокруг другой. К концу профазы исчезают ядрышко и ядер­ная мембрана.

Вторая — метафаза. Процесс компактизации хромосом продолжается и ведет к еще большему укорочению их длины. Хромосомы выстраиваются по экватору клетки. Хроматиды соединены между собой в центромере, называемой также первичной перетяжкой. Появляются нити митотического веретена, которые присоединяются к цен­тромерам. Каждая центромера испытывает напряжение, поскольку нити веретена тянут ее к противоположным полюсам.

Полюса клетки формируются специальными органеллами — центросомами.

Третья — анафаза — начинается с разрыва центро­меры, в результате чего сестринские хроматиды расхо­дятся к разным полюсам клетки. С этого момента каждая пара сестринских хроматид получает название дочерних хромосом.

Четвертая — телофаза. Хромосомы достигают полюсов клетки, появляются ядерная мембрана, ядрышко. Про­исходят декомпактизация хромосом и восстановление структуры интерфазного ядра. Заканчивается митоз деле­нием цитоплазмы и в типичных случаях — восстановле­нием исходной биомассы дочерних клеток.

Биологическая роль митоза состоит в обеспечении идентичной генетической информацией двух дочерних клеток. Это достижимо только благодаря циклу компак­тизации — декомпактизации, который и позволяет распре­делить наследственные молекулы в минимальном объеме митотических хромосом. В противном случае, учитывая размеры клетки (десятки или сотни кубических микро­метров) и длину декомпактизированной хромосомы (сан­тиметры), каждое клеточное деление сопровождалось бы хаотическим переплетением хромосомного материала.

В эволюции эукариотических клеток, видимо, это обсто­ятельство и послужило причиной становления столь слож­ного генетического процесса, как митоз.

Мейоз. Термином «мейоз» обозначают два следующих друг за другом деления, в результате которых из диплоидных клеток образуются гаплоидные половые клетки — гаметы. Если бы оплодотворение происходило диплоидными гаметами, то плоидность потомков в каждом следующем поколении должна была бы возрастать в геоме­трической прогрессии. В то же время благодаря мейозу зрелые гаметы всегда гаплоидны, что позволяет сохранять диплоидность соматических клеток вида. Возможность существования подобного мейозу деления при созревании гамет животных и растений была предсказана А. Вейсманом еще в 1887 г. Мейотические деления не эквива­лентны митозу. Обоим мейотическим делениям предше­ствует только одна фаза синтеза ДНК. Продолжитель­ность ее, как и профазы I деления мейоза, во много раз превосходит соответствующие показатели митотического цикла любых соматических клеток данного вида. Главные события мейоза развертываются в профазе I деления.Она состоит из пяти стадий. В первой стадии — лептотене, следующей непосредственно за окончанием предмейотического синтеза ДНК, выявляются тонкие длинные хромо­сомы. Они отличаются от хромосом в профазе митоза двумя особенностями: во-первых, в них не обнаруживается двойственность, т. е. не видно сестринских хроматид, во-вторых, лептотенные хромосомы имеют выраженное хромомерное строение. Хромомеры — узелки, участки плот­ной компактизации ДНК, размеры и расположение кото­рых строго видоспецифично. Хромомеры встречаются как в мейотических, так и в митотических хромосомах, однако в последних без специфической обработки они не видны.

Во второй стадии профазы I деления — зиготене — происходит тесное сближение по всей длине (конъюгация) гомологичных хромосом. Гомологичными называют хро­мосомы, имеющие одинаковую форму и размер, но одна из них получена от матери, другая — от отца. Гаплоидный набор равен числу пар гомологов. Конъюгация гомо­логичных хромосом происходит по принципу действия застежки-молнии. По окончании конъюгации число хро­мосом как бы уменьшается вдвое. Каждый элемент, состоящий из двух гомологов, называют бивалентом или тет­радой. Последний термин подчеркивает, что бивалент содержит четыре хроматиды, образующиеся в ходе предмейотического синтеза ДНК. Механизмы конъюгации хромосом эукариот в мейозе пока не раскрыты полностью как единая цепь событий, хотя отдельные этапы биохи­мических процессов в профазе изучены довольно подробно.

Третья стадия профазы I деления — пахитена — у большинства видов самая длительная. Под световым ми­кроскопом видны конъюгировавшие хромосомы с более или менее четко выраженным хромомерным строением. Приблизительно в середине пахитены между хроматидами гомологичных хромосом появляется продольная щель, которая ясно показывает, что бивалент — это, по суще­ству, четверная хромосомная структура. В пахитене про­исходит важное генетическое событие — кроссинговер, или перекрест хроматид гомологичных хромосом. В резуль­тате этого в каждом гомологе смешивается отцовский и материнский наследственный материал.

Результаты кроссинговера становятся заметными лишь в четвертой и пятой стадиях профазы I деления — диплотене и диакинезе. Диплотена начинается с момента рас­хождения гомологичных хромосом. В это время в точках кроссинговера видны перекрещенные хроматиды. Область перекреста хроматид называют хиазмой. Число хиазм в целом соответствует количеству актов кроссинговера в би­валенте и пропорционально длине гомологичных хромосом, его составляющих. Для диплотены и диакинеза характерно прогрессирующее укорочение хромосом в результате компактизации; поэтому хиазмы постепенно терминализуются, т. е. приближаются к концам бивалента и спадают с него. Таким образом, по мере приближения к метафазе первого деления число хиазм уменьшается.

В метафазеI деления мейоза район центромеры каж­дой хромосомы соединен (в отличие от метафазы митоза) нитью веретена только с одним полюсом клетки, причем центромеры разошедшихся гомологов всегда связаны с противоположными полюсами. АнафазеI деления мейоза не предшествует расщепление центромеры, как при митозе, и поэтому к полюсам отходят не хроматиды, а целые хро­мосомы, состоящие из двух хроматид. Однако, поскольку гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам, первое мейотическое деление приводит к редукции числа хромосом. Другими словами, по числу хромосом продукты I деления мейоза становятся гаплоидными. Однако в связи с тем, что хромосомы в них сохраняют двойственность, т. е. содержат две хроматиды, количество ДНК умень­шается лишь до 2 с.

Второе деление мейоза, следующее после краткого промежутка — интеркинеза,приводит в соответствие число хромосом и содержание ДНК. Формально оно напо­минает митоз. В начале анафазы происходит разделение центромеры, сестринские хроматиды стано­вятся дочерними хромосомами и расходятся к полюсам. Таким образом, каждая из четырех клеток, образовавшихся вследствие двух мейотических делений одной клетки, прошедшей предмейотическую S-фазу, будет содержать n хромосом и с ДНК.

Итак, главное отличие мейоза от митоза — конъюга­ция гомологичных хромосом с последующим расхожде­нием их в разные гаметы. Точность расхождения обуслов­лена точностью конъюгации, а последняя — идентичностью молекулярной структуры ДНК гомологов.

В заключение отметим, что цитологами доказано неза­висимое расхождение негомологичных хромосом в про­фазе I деления мейоза. Это означает, что любая отцовская хромосома может попасть в гамету с любой, в крайнем варианте — со всеми материнскими негомологичными хромосомами. Однако если речь идет о дочерних хромо­сомах (во II делении мейоза), образовавшихся из пере­крещенных, т.е. претерпевших кроссинговер, или кроссоверных хроматид, то их, строго говоря, нельзя рассматривать ни как чисто отцовские, ни как чисто мате­ринские.

Кариотип.Кариотипом называется хромосомный комплекс вида со всеми его особенностями: числом хромосом, их формой, наличием видимых под световым микроскопом деталей строения отдельных хромосом. Иногда термин «кариотип» употребляют по отношению к хромосомному набору единичной клетки или группы тканевых клеток. В начале 70-х годов были разработаны методы дифференциальной окраски, которые позволили выявить в каждой хромосоме любого вида специфическое чередование различно окрашенных (темных и светлых) полос. В принципе, гомологичные хромосомы имеют одинаковую картину дифференциаль­ной окрашиваемости. Специфичность поперечной исчерченности хромосом заключается в числе и размерах этих полос. Уже в 1971 г. была принята действующая и в насто­ящее время унифицированная система идентификации хромосом и хромосомных сегментов человека.

Среди методов выявления полос наиболее распростра­нены С-метод и G-метод. В обоих случаях в качестве кра­сителя используют реактив Гимза, а различия в располо­жении полос проявляются вследствие особенностей предфиксационной обработки.

В составе хромосом в виде темных полос С-метод поз­воляет выявить гетерохроматические районы, т.е. те уча­стки, которые в ядрах интерфазных клеток остаются ком­пактными и под микроскопом выглядят как плотно окрашенные глыбки. Темные С-полосы располагаются чаще всего в прицентромерных участках хромосом, что указы­вает на внутрихромосомное распределение гетерохромати­ческих районов.

Гетерохроматические районы в функциональном отно­шении слабоактивны. Различают конститутивный (истин­ный) и факультативный гетерохроматин. Первый имеет специфичную структуру и постоянно находится в иден­тичных участках гомологичных хромосом: в прицентромерных районах и возле уплотнений на концах плеч — так называемых теломеров, реже в других, характерных для каждой хромосомы местах. Второй появляется лишь в определенные периоды жизни клетки либо содержится в хромосомах клеток некоторых тканей. Факультативный гетерохроматин — это целые хромосомы или эухроматические районы хромосом, находящиеся в состоянии компактизации, подобно конститутивному гетерохроматину, и вследствие этого почти лишенные генетической актив­ности. Из двух гомологичных хромосом такой хроматин, как правило, содержит лишь одна.

Неокрашенные С-методом участки хромосом (светлые полосы) соответствуют эухроматическим районам, состав­ляющим у большинства видов 80-90 % всего генетиче­ского материала клетки. В отличие от гетерохроматиче­ских эухроматические районы декомпактизуются в телофазе митоза.

Как отмечалось ранее, каждая хромосома имеет центромеру, или первичную перетяжку,— место прикрепления нитей веретена. Иногда наблюдаются вто­ричные перетяжки, не связанные с функциями митотических движений хромосом. Первая перетяжка делит хро­мосомы на плечи. Ее положение в середине, близко к сере­дине или почти у концевых участков хромосомы, назы­ваемых теломерами, позволяет классифицировать хромо­сомы на метацентрические, субметацентрические и акроцентрические соответственно. У некоторых хромосом во всех или в большинстве клеток бывают видны спутники — небольшие, как правило, специфические фрагменты тела хромосомы, соединенные с теломерами участком декомпактизованной ДНК — спутничной нитью.

Число хромосом видоспецифично. Ниже приводится диплоидное число хромосом у некоторых животных и растений.

Животные Растения

Человек …….. 46 Кукуруза …….. 20

Шимпанзе …...48 Рожь …………..14

Крыса ………..42 Рис …………….24

Мышь ………..40 Яблоня ……….51,34

Курица ………78 Слива ………….48

Кролик ………44 Хлопчатник …...52

Собака ……….78 Картофель …….48

Дрозофила ……8 Томат …………..24

Окунь ……….. 28 Скерда зелёная ...6

Сазан ………..108 Подсолнечник …34

Пчела ………..16, 32 Бобы конские ….12

Речной рак ….98 Твёрдая пшеница ….28

Лошадиная аскарида … 2,4

Хотя закономерно­сти, характеризующие кариотип, иногда и отражают эво­люцию определенных видов, в целом по структуре кариотипа прямо судить о систематическом положении вида нельзя. Вариации числа хромосом (если учесть, что у од­ного из вариантов лошадиной аскариды 2n=2) достигают двух порядков, т. е. существуют виды с кариотипом, включающим сотни хромосом

Таким образом, благодаря исследованиям цитологов и генетиков в конце XIX – начале XX в. была обоснована роль ядра в наследственности, а наблюдения за поведением хромо­сом в митозе и мейозе привели к заключению, что именно с ними связана передача наследственных признаков.

Вопросы

1. Что такое клетка? Почему её называют элементарной единицей жизни?

2. Что Вы знаете о клеточных мембранах?

3. Каковы строение и функции ядра?

4. Что Вам известно о строении цитоплазмы и основных клеточных органелл?

5. Может ли существовать и функционировать клетка, лишённая ядра?

6. Какие структуры клетки связаны с передачей наследственности?

7. Какие изменения происходят в клетке перед её делением?

8. Как протекает деление клеток, называемое митозом?

9. Что такое мейоз? Чем он отличается от митоза?

10.В чём генетическая сущность митоза и мейоза?