Молекулярный механизм репликации

Ферменты (хеликаза, топоизомераза) и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация у эукариот осуществляется несколькими разными ДНК-полимеразами. ДНК-полимераза I действует на запаздывающей цепи для удаления РНК-праймеров и дорепликации очищенных мест ДНК. ДНК полимераза III — основной фермент репликации ДНК, осуществляющий синтез ведущей цепи ДНК и фрагментов Оказаки при синтезе запаздывающей цепи. Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный.

Цепи молекулы ДНК расходятся, образуют репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Характеристики процесса репликации

- матричный — последовательность синтезируемой цепи ДНК однозначно определяется последовательностью материнской цепи в соответствии с принципом комплементарности;

- полуконсервативный — одна цепь молекулы ДНК, образовавшейся в результате репликации, является вновь синтезированной, а вторая — материнской;

- идёт в направлении от 5’-конца новой молекулы к 3’-концу;

- полунепрерывный — одна из цепей ДНК синтезируется непрерывно, а вторая — в виде набора отдельных коротких фрагментов (фрагментов Оказаки);

- начинается с определённых участков ДНК, которые называются сайтами инициации репликации.

28. Цитогенетическая характеристика мейоза. Сущность и биологическое значение кроссинговера.
Мейоз или редукционное деление клетки — деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Происходит в два этапа (редукционный и эквационный этапы мейоза). Мейоз не следует смешивать с гаметогенезом — образованием специализированных половых клеток, или гамет, из недифференцированных стволовых.

С уменьшением числа хромосом в результате мейоза в жизненном цикле происходит переход от диплоидной фазы к гаплоидной. Восстановление плоидности (переход от гаплоидной фазы к диплоидной) происходит в результате полового процесса.

В связи с тем, что в профазе первого, редукционного, этапа происходит попарное слияние (конъюгация) гомологичных хромосом, правильное протекание мейоза возможно только в диплоидных клетках или в чётных полиплоидах (тетра-, гексаплоидных и т. п. клетках). Мейоз может происходить и в нечётных полиплоидах (три-, пентаплоидных и т. п. клетках), но в них, из-за невозможности обеспечить попарное слияние хромосом в профазе I, расхождение хромосом происходит с нарушениями, которые ставят под угрозу жизнеспособность клетки или развивающегося из неё многоклеточного гаплоидного организма.

Этот же механизм лежит в основе стерильности межвидовых гибридов. Поскольку у межвидовых гибридов в ядре клеток сочетаются хромосомы родителей, относящихся к различным видам, хромосомы обычно не могут вступить в конъюгацию. Это приводит к нарушениям в расхождении хромосом при мейозе и, в конечном счете, к нежизнеспособности половых клеток, или гамет (основным средством борьбы с этой проблемой является применение полиплоидных хромосомных наборов, поскольку в данном случае каждая хромосома конъюгирует с соответствующей хромосомой своего набора) . Определённые ограничения на конъюгацию хромосом накладывают и хромосомные перестройки (масштабные делеции, дупликации, инверсии или транслокации).

Мейоз состоит из 2 последовательных делений с короткой интерфазой между ними.

- Профаза I — профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:

- Лептотена или лептонема — упаковка хромосом, конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей (хромосомы укорачиваются).

- Зиготена или зигонема — происходит конъюгация — соединение гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами и их дальнейшая компактизация.

- Пахитена или пахинема — (самая длительная стадия) — в некоторых местах гомологичные хромосомы плотно соединяются, образуя хиазмы. В них происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами.

- Диплотена или диплонема — происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой. У некоторых животных в ооцитах хромосомы на этой стадии профазы мейоза приобретают характерную форму хромосом типа ламповых щёток.

- Диакинез — ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; центриоли расходятся к полюсам; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.

К концу Профазы I центриоли мигрируют к полюсам клетки, формируются нити веретена деления, разрушаются ядерная мембрана и ядрышки

- Метафаза I — бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.

- Анафаза I — микротрубочки сокращаются, биваленты делятся, и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе.

- Телофаза I — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы: S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК.

- Профаза II — происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления, перпендикулярное первому веретену.

- Метафаза II — унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.

- Анафаза II — униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.

- Телофаза II — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

В результате из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных клетки. В тех случаях, когда мейоз сопряжён с гаметогенезом (например, у многоклеточных животных), при развитии яйцеклеток первое и второе деления мейоза резко неравномерны. В результате формируется одна гаплоидная яйцеклетка и три так называемых редукционных тельца (абортивные дериваты первого и второго делений).

Кроссинговер или перекрёст — процесс обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации в профазе I мейоза. Помимо мейотического, описан также митотический кроссинговер. Хромосома разделяется на эти участки в определённых точках, одних и тех же для одного вида, что может быть определением вида на генетическом уровне, место расположение этих точек задаётся единственным геном.

Поскольку кроссинговер вносит возмущения в картину сцепленного наследования, его удалось использовать для картирования «групп сцепления» (хромосом). Возможность картирования была основана на предположении о том, что, чем чаще наблюдается кроссинговер между двумя генами, тем дальше друг от друга расположены эти гены в группе сцепления и тем чаще будут наблюдаться отклонения от сцепленного наследования. Первые карты хромосом были построены в 1913 г. для классического экспериментального объекта плодовой мушки Drosophila melanogaster Альфредом Стёртевантом, учеником и сотрудником Томаса Ханта Моргана.

29. Морфофункциональная характеристика наследственного аппарата клеток. Строение интерфазных хромосом.
В основе наследственности лежит способность всех живых организмов накапливать, хранить и передавать потомству наследственную информацию. Эта одна из важнейших качественных особенностей живой материи связана с нуклеиновыми кислотами — дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Ведущее значение принадлежит ДНК — самой длинной молекуле живых организмов, сосредоточенной в ядрах клеток и представляющей собой ее наследственный аппарат. Большая длина молекулы ДНК дает возможность «записать» на ней, как на телеграфной ленте, все основные свойства будущего организма и программу его развития. Такая «запись» осуществляется с помощью специального «нуклеинового языка», или «нуклеинового кода», сущностью которого является изменение порядка следования четырех химических соединений, входящих в состав ДНК Образно говоря, «нуклеиновый язык» состоит из четырех букв, из которых строятся отдельные слова и целые предложения «нуклеинового языка».

На такой нуклеиновой «ленте» можно выделить отдельные самостоятельные участки, включающие в себя описание программы развития одного признака. Их называют генами.
Каждая молекула ДНК включает в себя сотни генов и представляет собой программу развития многих признаков и свойств организма. Объединяясь с особыми белками и некоторыми другими веществами, молекулы ДНК образуют в ядре специальные образования — так называемые хромосомы.
Число хромосом и их форма строго постоянны для каждого вида растительных и животных организмов. У человека в ядрах его соматических клеток содержится 46 хромосом, а в ядрах половых клеток их число вдвое меньше — 23. Однако в процессе оплодотворения, когда происходит слияние женской половой клетки (яйцеклетка) с мужской (сперматозоид), хромосом вновь становится 46. Такой двойной набор хромосом называют диплоидным, а одинарный набор хромосом половых клеток — гаплоидным.
Все 46 хромосом можно разбить на 23 пары, из них 22 относительно близки по форме и генному составу. Эти хромосомы называют гомологичными (от греч. гомология — согласие). 23-я пара — половые хромосомы X и Y. Абсолютного сходства между гомологичными хромосомами нет. В каждой гомологичной хромосоме всегда содержится большое число генов, контролирующих развитие различных признаков. Например, в одной хромосоме может находиться ген, обеспечивающий карий цвет глаз, а в другой — голубой.
Эти маленькие отличия в генном составе гомологичных хромосом имеют большое значение и лежат в основе изменчивости организмов — свойства потомства отличаться рядом признаков от своих родителей. Действительно, в процессе образования половых клеток гомологичные хромосомы расходятся в разные клетки, а в результате оплодотворения они объединяются в новые пары. Но теперь одна гомологичная хромосома — отцовская, а другая— материнская.
Значительные изменения генного состава хромосом могут осуществляться и в результате прямого обмена между гомологичными хромосомами участками, содержащими десятки генов. Наконец, наибольшее значение в изменчивости организмов имеют мутации — резкие изменения какого-либо признака, связанного с изменением хромосомного или генного состава организма.
Хромосомные и генные мутации у человека относительно хорошо изучены, так как они лежат в основе наследственных болезней. Принято различать хромосомные и генные болезни. Первые связаны с изменением хромосомного аппарата человека, вторые — генного. Так, одно из тяжелейших наследственных заболеваний — синдром Дауна, связан с нарушением нормального числа хромосом.
Примером генного заболевания может быть гемофилия, при которой нарушается свертывание крови. В результате небольшой порез пальца может привести к смерти, так как кровотечение почти невозможно остановить.
Мутации не всегда вызывают заболевания и даже, напротив, бывают полезны организму. Без этого было бы невозможно постоянное совершенствование живой природы в процессе эволюции и гармоничное взаимодействие организмов с внешней средой.
Возникновение мутаций связано с влиянием внешней среды и происходит наиболее часто при воздействии на организм сверхсильных факторов (различные виды радиации, химические вещества, болезни и др.). У человека возникновение мутаций обусловлено также его возрастом, полом, характером деятельности и т. д. Генетиками подсчитано, что даже в идеальных условиях у каждого человека в течение его жизни обязательно происходит мутация одного гена.
Механизм передачи наследственной информации в общем виде включает три основные стадии: 1) воспроизведение заключенной в ДНК генетической информации с помощью матричного механизма ее удвоения — репликация; 2) перенос этой информации в молекулу РНК — транскрипция; 3) синтез на основе этой информации белковых молекул, в том числе ферментов — трансляция.
Интерфазная хромосома - это раскрученная двойная нить ДНК, в таком состоянии с нее считывается информация, необходимая для жизнедеятельности клетки. То есть функция интерфазной ХР - передача информации с генома, последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, для синтеза необходимых белков, ферментов и т. д.
Когда приходит время деления клетки необходимо сохранить всю имеющуюся информацию и передать ее в дочерние клетки. В состоянии "раздрая" ХР этого сделать не может . Поэтому хромосоме приходится структурироваться - скручивать нить своей ДНК в компактную структуру. ДНК к этому времени уже удвоена и каждая нить скручивается в свою хроматиду. 2 хроматиды образуют хромосому. В профазе под микроскопом в ядре клетки становятся заметны маленькие рыхлые комочки - это будущие ХР. Они постепенно укрупняются и формируют видимые хромосомы, которые к середине метафазы выстраиваются по экватору клетки. В норме в телофазе равное количество хромосом начинает двигаться к полюсам клетки. Однако случается иногда, что хроматиды цепляются друг за друга, переплетаются, кусочки отрываются - а результате две дочерние клетки получают немного неравную информацию. Такая штука называется патологический митоз. После него дочерние клетки будут работать неправильно. При сильном повреждении хромосом клетка погибнет, при более слабом не сможет разделиться еще раз или даст череду неправильных делений. Такие вещи приводят к возникновению заболеваний, от нарушений биохимической реакции в отдельной клетке, до заболевания раком какого-то органа. Клетки делятся во всех органах, но с разной интенсивностью, поэтому у разных органов - разная вероятность заболеть раком. К счастью такие патологические митозы бывают не слишком часто и природа придумала механизмы избавления от получившихся неправильных клеток. Только когда среда обитания организма очень плохая (повышен радиоактивный фон, сильные загрязнения воды, воздуха вредными хим. веществами, бесконтрольное применение лекарственных препаратов и т. п. ) -природный защитный механизм не справляется. В таком случае вероятность появления заболеваний увеличивается.