+- Лекции по генетике.

ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ В ДЕФЕКТОЛОГИИ

Введение.

Основные понятия и термины современной генетики.

Цитологические основы наследственности.

Наследственность и изменчивость. Закономерности наследования признаков.

Методы изучения наследственности человека.

Наследственные болезни и их классификация. Наследственные дегенеративные заболевания.

Анализ генеалогической информации и методика составления родословной.

Приложение.

Терминологический словарь.

Задачи по генетике.

ВВЕДЕНИЕ

Генетика человека, как и анатомия, физиология, нейрофизиология, психофизиология и др. составляют основу современ­ных медико-биологических знаний специалистов в области дефектологии.

Наследственность и изменчивость у человека являются предме­том изучения генетики человека на всех уровнях его организации: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном. Ге­нетика человека своими успехами в значительной мере обязана медицинской генетике - науке, изучающей роль наследственно­сти в патологии человека. Прикладной раздел медицинской гене­тики - это клиническая генетика, которая использует достиже­ния медицинской генетики, генетики человека и общей генетики в решении клинических проблем, возникающих у конкретных па­циентов или в их семьях. Благодаря взаимопроникновению идей, концепций и методов общая генетика, генетика человека и меди­цинская генетика в значительной степени обогатили друг друга, что, в конечном счете способствовало тому, чтобы достижения науки реализовались в практической деятельности педагога, психолога и дефектолога.

Тема 1. Основные понятия и термины современной генетики.

Наследственность – это свойство живых организмов сохранять генетическую информацию и признаки предков и передавать их в ряду поколений.

Наследование – это процесс воспроизведения признаков предков в последовательных поколениях.

Гомологичные хромосомы – одинаковые по размерам, по форме, по составу генов, но разные по происхождению: одна от отца, другая – от матери.

Ген – это участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида.

Аллельные гены – гены, которые локализованы в гомологичных хромосомах в одинаковых локусах и кодируют один и тот же признак или его вариации.

Гомозигота – организм, в котором данная пара аллельных генов одинакова: АА или аа.

Гетерозигота - организм, в котором данная пара аллелей неодинакова: Аа.

Гемизигота (от греч. Hemi – полу- и зигота) – когда в диплоидном организме присутствует один ген из пары аллелей и он всегда проявляется. Например в Х-хромосоме у мужчин в локусе, которого нет в Y-хромосоме, находится один ген гемофилии, а в Y-хромосоме такой ген отсутствует.

Доминантный ген (от лат. Dominans - господствующий) – который подавляет проявления других аллелей.

Рецессивный ген (от лат. Recessus – отступление) – он проявляется только в гомозиготном состоянии.

Закон чистоты гамет: в процессе образования гамет в каждую из них попадает только один ген из аллельной пары. Цитологически это объясняется мейозом: в анафаза мейоза гомологичные хромосомы расходятся и вместе с ними аллельные гены.

Генотип – совокупность генов данного организма.

Фенотип – совокупность признаков данного организма (внешних и внутренних); развивается в результате взаимодействия генотипа с внешней средой. В фенотипе реализуются только те генотипические возможности для которых были конкретные оптимальные условия.

Тема 2. Цитологические основы наследственности.

Генетическая информация каждого человека сохраняется в 23 парах хромосом, которые отличаются размерами и формой. Хромосомный набор у человека принято разделять на семь групп аутосом и пару половых хромосом: А (1, 2, 3 пары хромосом), В (4, 5 пары), С (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 пары), D (13, 14, 15), E (16, 17, 18), F (19, 20), G 21, 22 пары хромосом), пара половых хромосом ХХ или XY

Основной составляющей каждой хромосомы является ДНК, а гены - это основные составляющие хромосомной ДНК. Молекула каждой хромосомы очень длинная, поэтому для компактности она плотно намотанная на специфические белки-гистоны. Это явление называется суперскручивание или суперкомпактизация. Для сравнения можно себе представить, что вся ДНК, которая содержится в ядре каждой клетки, в развернутом виде должна иметь длину около трех метров. Длина ДНК одной хромосомы составляет в среднем 5 см.

Почти в центре каждой хромосомы содержится ее центромера, небольшой участок, которая делит хромосому на две части, образуя при этом длинное плечо (q) и короткое плечо (р). Кроме того, для более детального и точного исследования хромосом используется метод окраски хромосом специальными красителями, использование которых вызывает образование характерной полосатой структуры. Каждая хромосома имеет уникальную четкую полосатую структуру, а каждая полоска имеет номер, который помогает определить (локализировать) конкретную часть хромосомы (локус ). Этот метод, при котором положение данного гена определяется размещением его на конкретной полосе хромосомы называется цитогенетическим картированием. Например, ген бета-гемоглобина (HBB) размещен на хромосоме 11p15.4. Это означает, что ген HBB расположен на коротком плече (р) хромосомы 11 и находится на 4 полосе 15 участка этой хромосомы.(см. рис.1)

Рисунок 1

Основы деления эукариотических и половых клеток.

Материальная непрерывность в ряду поколений осуществляется путем размножения организмов, в основе которого лежит универсальный процесс – деление клетки. Возникновение многоклеточности сопровождалось специализацией тканей организма: появились соматические ткани (нервная, мышечная, соединительная и т.д.) и ткань, дающая начало половым клеткам – генеративная ткань.

Половое размножение возникло в процессе эволюции, как высшая форма воспроизведения организмов, позволяющая многократно увеличивать численность потомства и, что самое главное, половое размножение – необходимая предпосылка многих форм наследственной изменчивости. Эти два следствия во многом способствовали естественному отбору наиболее приспособленных, и тем самым существенно определяя скорость эволюционных преобразований. Однако бесполое размножение, являясь более древним, не потеряло своего значения, поскольку лежит в основе многоклеточности, развития и роста организмов.

МИТОЗ

Деление соматических клеток, или митоз, приводит к образованию из одной родительской клетки двух генетически идентичных дочерних клеток. Организм взрослого человека состоит примерно из 10 14 клеток, для чего требуется около 47 циклов клеточного деления оплодотворенной яйцеклетки (зиготы).

Собственно митотическое деление занимает лишь незначительную часть жизненного цикла клетки. Между делениями ядро клетки находится в стадии относительного покоя, или интерфазы. В интерфазе хромосомы находятся в деспирализованном состоянии, в ядре отмечается наибольшая активность метаболических процессов, а клетка выполняет обычные для нее функции. Сразу после предшествующего деления, клетка вступает в период G1, характеризующийся интенсивными процессами синтеза белка и РНК; этот период называют постмитотическим или пресинтетическим.

Затем клетка вступает в период, когда происходит удвоение (репликация) количества ДНК, и каждая хромосома состоит из двух хроматид (синтетический период-S). С момента окончания синтеза ДНК и до начала клеточного деления продолжается постсинтетический, или премиотический период (G2) (см.рисунок II.1).

При делении ядро клетки претерпевает ряд последовательных изменений с образование характерных книтчатых структур, отсюда произошло и название процесса – митоз (от греч. mitos - нить). В процессе Митоза условно выделяют несколько стадий, постепенно и непрерывно переходящих друг в друга: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Длительность стадий Митоза различна и зависит от типа ткани, физиол. состояния организма, внеш. факторов; наиболее продолжительны первая и последняя.

Профаза. Эта стадия характеризуется: 1) спирализацией хромосомной нити; 2) исчезновением ядрышек; 3) движением центриолей к полюсам клетки и началом формирования митотического веретена; 4) исчезновением ядерной оболочки и объединением содержимого ядра с цитоплазмой (образуется миксоплазма, характеризующаяся особыми физико-химическими свойствами).

Метафаза. Хромосомы на этой стадии достигают максимальной конденсации и становятся особенно ясно различимыми, что позволяет оценить не только их число, но и морфологию индивидуальной хромосомы. В метафаза хромосомы расположены случайным образом в экваториальной плоскости клетки. перестают двигаться и выстраиваются по экватору веретена, образуя экваториальную пластинку. Завершается формирование веретена деления, и ахроматические нити прикрепляются к центромерам хромосом.

Анафаза - самая короткая стадия митоза. После деления центромеры, удерживающей до этого хроматиды в единой материнской хромосоме, каждая хроматида, прикрепленная к нити веретена деления, притягивается к определенному полюсу. Этим обеспечивается согласованное и точное распределение хромосомного материала в дочерние клетки.

Телофаза – заключиельная стадия митоза, в ходе оторой: 1) анафазная хроматида становится интерфазной хромосомой дочерней клетки; 2) происходит реконструкция ядерных мембран и восстановление ядрышек; 3) отмечается удвоение центриолей; 4) завершается обособление дочерних клеток.

Таким образом, события происходящие в митозе, приводят к образованию идентичных дочерних клеток, каждая из которых содержит точные копии генетического материала материнской клетки.

МЕЙОЗ.

Мейоз является клеточной основой полового размножения, когда гаплоидные гаметы, объединяясь в момент оплодотворения, образуют уникальную гаплоидную зиготу. В гаметогенезе происходит два последовательных деления клетки. Первой мейотическое деление, обозначаемое «мейоз I», состоит из профазы I, метафазы I, анафазы I, телофазы I.

В мейозе совершаются два критических события, отличающие процесс образования половых клеток от обычного митотического деления. Первое – спаривание гомологичных хромосом с образованием перекреста (хиазм) между хроматидами и обмен участками (кроссинговер) гомологичных хроматид. Второе существенное событие – редукция (уменьшение) диплоидного числа хромосом (2n = 46), приводящая к образованию гаплоидных гамет (n = 23). Пары гомологичных хромосом, объединенных в бивалент, представлены четырьмя хроматидами (тетрадой). Эти важнейшие события происходят во время первого мейотического деления. В анафазе I нити веретена деления разделяют бивалент (т.е. две гомологичные хромосомы) таким образом, что гомологи расходятся к различным полюсам клетки и происходит уменьшение числа хромосом вдвое. Именно поэтому мейоз I иногда называют редукционным делением. После телофазы I наступает короткая стадия – интеркинез. В отличие от интерфазы митоза в интеркинезе отсутствует период и, следовательно, не происходит репликации ДНК. Каждая клетка в начале второго мейотического деления содержит 23 хромосомы, каждая из которых состоит из сестринских хроматид. В профазе I I начинает формироваться новое веретено деления, и в метафазе I I хромосомы вновь располагаются в экваториальной плоскости. Во время анафазы I I за счет деления центромер к полюсам расходятся сестринские хроматиды, и в телофазе I I образуются дочерние клетки с гаплоидным набором. Таким образом диплоидная клетка, вступая в мейоз, образует 4 дочерние клетки с гаплоидным набором хромосом (см.рисунок 2).

Рисунок 2.

Схема мейотического деления клетки.

В результате мейоза образуются четыре гаплоидные клетки - гаметы. На рисунке представлены три пары хромосом

СБОРНИК ЗАДАЧ

«Медицинская генетика»

«Основы медицинской генетики»

Протокол № от « » 2011 г.

Решение.

Тема: «Закономерности наследование признаков»

Таблица 1.1 Количественные закономерности образования гамет и расщепления гибридов при разных типах скрещивания

Сколько типов гамет, и какие именно образуют организмы со следующими генотипами: а) aabb, б) AaBB, в) AaBb, г) AAbbCC, д) AabbCC, е) AaBbCc?

Решение.

а) Гомозиготы, согласно формуле N= 2 n , образуют один тип гамет (2 0 = 1):

б) Гетерозиготы по одному признаку дают два типа гамет (2 1 = 2):

в) Гетерозиготы по двум признакам дают четыре типа гамет (2 2 = 4):

г) Гомозиготы дают один тип гамет (2 0 = 1):

д) Гетерозиготы по одному признаку дают два типа гамет (2 1 = 2):

е) Гетерозиготы по трем признакам дают восемь типов гамет (2 3):

G ABC aBC AbC ABc abC Abc aBc abc

Гетерозиготы по n признакам дают 2 n типов гамет (см. табл. 1.1.)

Моногибридное скрещивание.

1. У человека ген полидактилии (многопалость) доминирует над нормальным строением кисти.

а) Определите вероятность рождения шестипалых детей в семье, где оба родителя шестипалые гетерозиготы.

Решение.

P: ♀Aa x ♂Aa

F: AA; Aa; Aa; aa

75% шестипалые 25% пятипалые

б) В семье, где один из родителей имеет нормальное строение кисти, а второй шестипалый, родился ребенок с нормальным строением кисти. Какова вероятность рождения детей с патологией?

Решение.

Генотипы родителей:

Генотип ребенка: аа

Так как ребенок рецессивная гомозигота и унаследовал по одному гену от каждого из родителей, то шестипалый родитель – гетерозигота Аа.

P: ♀aa x ♂Aa

50% шестипалые 50% пятипалые

1. У человека ген кареглазости доминирует над геном голубоглазости. Определите и запишите в генном выражении вероятность рождения голубоглазых детей в следующих случаях:

а) оба родителя гомозиготны по признаку кареглазости;

б) оба родителя гетерозиготны;

в) один родитель гетерозиготен, а другой – голубоглазый.

3. Галактоземия (нарушение углеводного обмена, связанное с неспособностью усваивать молочный сахар) наследуется как аутосомный рецессивный признак. Успехи современной медицины позволяют предупредить развитие болезни и избежать тяжелых последствий нарушения обмена.

Какова вероятность рождения больных детей в семье, где они из супругов гомозиготен по гену галактоземии, но развитие болезни у него было предотвращено диетой, а второй гетерозиготен по галактоземии?

4. Афибриногенемия (отсутствие фибриногена плазмы, что обусловливает осложнение кровотечений, заканчивающихся часто смертью) наследуется как рецессивный аутосомный признак. В семье у здоровых родителей родился ребенок с признаками афибриногенемии.

Какова вероятность рождения здорового ребенка?

5. Наличие седой пряди в волосах обусловлено доминантным аутосомным геном. Определите генотипы родителей, если у матери имеется седая прядь волос надо лбом, а у отца – нет; из двух детей в семье, один имеет седую прядь, а другой нет.

6. Болезнь Вильсона (нарушение обмена меди, которая в избытке откладывается в печени, мозге, почках, роговице и ряде других органов, развивается цирроз печени, происходят дегенеративные изменения ткани мозга, нарушается перенос глюкозы, заболевание начинается в 10-15 лет) наследуется как рецессивный аутосомный признак. Какова вероятность рождения больных детей в семье, где один из супругов страдает анализируемым заболеванием, а другой здоров, здоровы были также его родители, братья и сестры?

7. Муж и жена гетерозиготны по гену альбинизма (альбинизм – признак рецессивный). У родителей родилась двойня. Какова вероятность того, что оба ребенка будут альбиносами, если:

а) однояйцевая двойня;

б) разнояйцевая двойня.

8. Слияние нижних молочных резцов наследуется как аутосомный доминантный признак. В одной семье у первенца обнаружили, что нижние резцы срослись. Родители не помнят, была ли у них эта аномалия.

Определите возможные генотипы родителей и для каждого варианта высчитайте вероятность рождения ребенка без аномалии.

Дигибридное скрещивание.

1. У человека ген карих глаз доминирует над голубыми глазами, а умение владеть правой рукой – над леворукостью.

а) Какими могут быть дети, если их родители гетерозиготны по обеим парам генов?

Решение.

Генотипы родителей АаВв

Фенотипы – кареглазые, правши

P: ♀ АаВв х ♂ АаВв

G: АВ, Ав Ав, Ав

аВ, ав аВ, ав

кареглазые правши А – В – 9/16 – 56,75%

кареглазые левши А – вв – 3/16 – 18,75%

голубоглазые правши ааВ – 3/16 – 18,75%

голубоглазые левши аавв – 1/16 – 6,25%

б) Какими могут быть дети, если отец левша, но гетерозиготен по цвету глаз, а мать голубоглазая, но гетерозиготна в отношении умения владеть руками.

Решение.

Отец – Аавв кареглазый левша

Мать – ааВв голубоглазая правша

P: ♀ ааВв х ♂ Аавв

G: аВ, ав Ав, ав

F1: АаВв, ааВв, Аавв, аавв

карегл, голуб, карегл, голуб,

правша правша левша левша

в) Голубоглазый правша женился на кареглазой правше. У них родились дети: кареглазый левша, голубоглазый правша.

Определить вероятность рождения в этой семье голубоглазых детей, владеющих левой рукой.

Решение.

Отец – ааВ

Мать – А – В –

Дети – А – вв

Так как один из детей голубоглазый, то мать –Аа; второй из детей – левша, то родители по гену В будут гетерозиготы Вв.

P: ♀ АаВв х ♂ ааВв

G: АВ, Ав аВ

Вероятность рождения голубоглазых левшей аавв – 12,5%

2. Светловолосый кареглазый мужчина из семьи, все члены которой имели карие глаза, женился на голубоглазой темноволосой женщине, мать которой была светловолосой. Какой фенотип можно ожидать у детей? Светлые волосы и голубые глаза – признаки рецессивные.

3. Арахнодактилия наследуется как аутосомный доминантный признак. Леворукость – признак рецессивный. Определить вероятность проявления патологии и какой рукой при этом будут владеть дети, если отец имеет паучьи пальцы, аномалию унаследовал от отца, и правша (в его семье левшей не было). Мать нормальна по обоим признакам, но ее отец был левша.

4. Миоплегия – периодически повторяющиеся параличи, связанные с потерей мышечными клетками калия (проявляются в возрасте 20-40 лет) наследуется по аутосомно доминантному типу. Альбинизм наследуется по аутосомно рецессивному типу. Какова возможная вероятность проявления двух патологий одновременно, если в семье, где мать и отец страдают миоплегией, по гену альбинизма – нормальны, родился ребенок альбинос? По гену минплегии до 20-40 лет картина не ясна.

5. Аниридия – отсутствие радужной оболочки глаза, сопровождающая помутнением роговицы и хрусталика, снижением зрения, наследуется как аутосомно доминантный признак. Отсутствие веснушек – признак рецессивный. Какова вероятность рождения детей с нормальным зрением в семье, где один из родителей страдает аниридией, а другой нормален, если известно, что у больного родителя эту аномалию имел только отец. Веснушки имеет мать, аномалию унаследовала от своей матери.

Полигибридное скрещивание.

1. Близорукий (доминантный признак) левша (рецессивный признак) вступает в брак с женщиной, нормальной по обоим признакам. Известно, что у обоих супругов были братья и сестры, страдавшие фенилкетонурией (слабоумие из-за избытка фенилаланина в крови при отсутствии фермента, необходимого для превращения этой аминокислоты в тирозин), но сами они нормальны в отношении этого признака. В их семье первый ребенок был нормален в отношении всех трех признаков, второй был близоруким левшой, третий оказался больным фенилкетонурией.

а) Определите генотипы родителей и всех троих детей.

б) Определите вероятность того, что четвертый их ребенок будет нормален по всем трем признакам.

2. Полидактилия, близорукость и отсутствие малых коренных зубов передаются как доминантные аутосомные признаки.

а) Какова вероятность рождения детей без аномалий в семье, где оба родителя страдают всеми тремя недостатками, но гетерозиготны по всем трем парам генов?

б) Определите вероятность рождения детей без аномалий в семье, о которой известно следующее. Мать по линии жены была шестипалой, а отец – близорукий. В отношении других признаков они нормальны. Дочь же унаследовала от своих родителей обе аномалии. Мать по линии мужа не имела коренных зубов, имела нормальное зрение и пятипалую кисть. Отец нормален в отношении всех трех признаков. Сын унаследовал аномалию от матери.

3. Некоторые формы катаракты и глухонемоты у человека передаются как аутосомные рецессивные признаки. Отсутствие резцов и клыков верхней челюсти также может передаваться как рецессивный признак.

а) Какова вероятность рождения детей со всеми тремя аномалиями в семье, где оба родителя гетерозиготны по всем трем парам генов?

б) Какова вероятность рождения детей со всеми тремя аномалиями в семье, где один из родителей страдает катарактой и глухонемотой, но гетерозиготен по третьему признаку, а второй супруг гетерозиготен по катаракте и глухонемоте, но страдает отсутствием резцов и клыков в верхней челюсти?

Исаак Ньютон

«Примеры учат лучше, чем теория».

Жила на свете кошечка

Притворна и смела

И шерстка у ней рыжая,

Пушистая была.

К ней котик черный, гладенький

Нередко приходил,

И разговоры нежные

С той кошкой заводил.

В положенные сроки

Родилось шесть котят,

Слепые, гладкошерстные

И вечно есть хотят.

Три самки многоцветные,

Три рыженьких самца…

Пусть, мать гомозиготная,

А генотип отца?

В F2 же катавасия:

Есть кошки двух мастей

И двух мастей есть котики

Пушистых часть детей…

Объясните полученные результаты с помощью генетической схемы.

Неполное доминирование.

1. Талассемия (анемия Кули) обусловлена расстройством синтеза нормального гемоглобина. Кроме нарушения морфологии эритроцитов (мишеневидная форма), наблюдается в различной степени выраженная желтуха, изменения в скелете (череп башенного типа) и др. Гомозиготы по гену талассемии в 90-95% случаев гибнут в раннем возрасте, у гетерозигот заболевание проходит в относительно легкой форме. Наследование аутосомное с неполным доминированием.

Решение.

Талассемия – А, А≥а

Нормальный синтез гемоглобина – а

а) Какова вероятность рождения здоровых детей в семье, где оба родителя страдают легкой формой талассемии?

P: ♀ Aa × ♂ Aa

F1: AA; Aa; Aa; aa

смертельный легкая форма здоровы

исход 50% 25%

б) Какова вероятность рождения здоровых детей в семье, где один из супругов страдает легкой формой талассемии, а другой нормален в отношении анализируемого признака?

P: ♀ Aa × ♂ aa

легкая форма здоровы

2. Акаталазия (отсутствие каталазы – окислительно-восстановительный фермента в крови и тканях; при этом заболевание в юношеском возрасте развиваются язвы на деснах, приводящие к выпадению зубов) обусловлена редким аутосомным геном. Исследование активности каталазы показали, что у гетерозигот она лишь несколько понижена.

а) У обоих родителей и единственного сына в семье активность каталазы оказалась пониженной против нормы. Определите вероятность рождения в семье детей без аномалии.

б) Определите вероятные фенотипы в семье, где один из супругов страдает акаталазией, а другой имеет лишь пониженную активность каталазы.

3. Серповидноклеточная анемия (изменение нормального гемоглабина А на S-гемоглабин, в результате чего эритроциты принимают форму серпа) наследуется как неполностью доминантный аутосомный ген. Заболевание у гомозиготных особей приводит к смерти обычно до полового созревания, гетерозиготные особи жизнеспособны, анемия у них чаще проходит в легкой форме. Интересно, что малярийный плазмодий не может использовать для своего питания S-гемоглобин. Поэтому люди, имеющие эту форму гемоглобина, не болеют малярией.

а) Какова вероятность рождения детей, устойчивых к малярии, в семье, где один из родителей гетерозиготен в отношении серповидноклеточной анемии, а другой нормален в отношении этого признака?

4. Семейная гиперхолестеринемия характеризуется неполным доминированием. У гетерозигот это заболевание выражается в высоком содержании холестерина в крови; у гомозигот по гену гиперхолестеринемии кроме высокого содержания холестерина развиваются ксантомы (доброкачественная опухоль) кожи и сухожилий, атеросклероз.

а) Определите возможную степень развития гиперхолестеринемии у детей в семье, где оба родителя имеют лишь высокое содержание холестерина в крови.

б) Определите вероятность рождения детей с аномалией и степень ее развития в семье, где один из родителей, кроме высокого содержания холестерина в крови, имеет развитые ксантомы и атеросклероз, а другой нормален в отношении анализируемого признака.

5. Цистинурия – наследственное заболевание, связанное с образованием цистиновых камней в почках, наследуется как аутосомный рецессивный признак. Но у гетерозигот наблюдается лишь повышенное содержание цистина в моче, у гомозигот по гену цистинурии – образование цистиновых камней в почках.

а) Определите возможные формы проявления цистинурии у детей в семье, где один супруг страдал почечнокаменной болезнью, а другой имел лишь повышенное содержание цистина в моче.

б) Определите возможные формы проявления цистинурии у детей в семье, где один из супругов страдал камнями почек, а другой – нормален в отношении анализируемого признака.

6. У человека имеется летальный ген, обусловливающий в гетерозиготном состоянии брахидактилию, т.е. укорочение средней фаланги пальцев (неполное доминирование). У гомозигот этот ген является причиной аномального развития скелета. Дети, гомозиготные по этому гену, рождаются без пальцев и с другими нарушениями в развитии скелета, приводящими к смерти в раннем возрасте.

а) Какова вероятность того, что у двух, страдающих брахидактилией супругов, родится нормальный ребенок?

б) Каково соотношение фенотипов следует ожидать у потомков от брака нормальной женщины и страдающего брахидактилией мужчины?

7. Ген, определяющий курчавость волос неполностью доминирует над геном, определяющим прямые волосы. У гетерозигот отмечаются волнистые волосы. Альбинизм – признак рецессивный с полным доминированием. У родителей, имеющих нормальную пигментацию и курчавые волосы, родился ребенок альбинос с гладкими волосами. Каковы генотипы родителей и каких детей можно ожидать от этого брака в дальнейшем?

Сверхдоминирование.

1. Редкий в популяции ген а вызывает у человека наследственную анафтальмию (отсутствие глазного яблока). У гомозигот по гену А отмечается нормальное развитие глазного яблока; у гетерозигот отмечается макрофтальмия – увеличение размеров глазного яблока; у гомозигот по гену а – анафтальмия.

а) Определите развитие глазного яблока у детей, если у родителей отмечается макрофтальмия.

б) Определите развития глазного яблока у детей, если мужчина с увеличенными размерами глазного яблока женится на женщине с нормальными глазами.

Кодоминирование.

Примером кодоминирования является АВ (IV) группа крови.

Комплементарность

1. Глухота у человека может быть обусловлена рецессивными генами d и е, лежащими в разных парах хромосом. Для нормального слуха в генотипе человека должны присутствовать доминантные гены из разных аллельных пар – D и Е. Ген D отвечает за нормальное развитие слуховой улитки, а ген Е – за нормальное развитие слухового нерва.

а) Определить вероятность рождения глухих детей в семье, где оба родителя гетерозиготны по обеим парам генов.

б) Определить вероятность рождения детей с нормальным слухом, если один из супругов слышащий и гетерозиготен, а у другого – недоразвитие улитки и нормальное развитие слухового нерва (гомозиготен).

в) Глухая женщина (DDee) вступает в брак с глухим мужчиной (ddEE). Будут ли глухими их дети?

г) Определить вероятность рождения глухих детей в семье, где родители имеют разную форму глухоты.

2. Глухонемые супруги Ивановы имели 2 глухонемых детей, а глухонемые супруги Петровы – 3 глухонемых. После смерти жены Иванов женился на вдове Петрова. От этого брака родилось 3 детей, все с нормальным слухом.

а) Напишите генотипы супругов Ивановых, супругов Петровых и их детей от первого и второго браков.

б) Сын от второго брака, Иванов-Петров, женился на девушке с таким же генотипом, как у него. Укажите вероятность рождения глухонемых детей в этой семье.

в) Второй сын из семьи Ивановых-Петровых женился на глухонемой девушке – племяннице своей матери. Какова вероятность рождения глухонемых детей у этих супругов?

г) Дочь супругов Ивановых-Петровых вышла замуж за глухонемого юношу, который родился с нормальным слухом, но потерял его вследствие перенесенного заболевания. В его семье никогда не было глухонемых. Какова вероятность рождения глухих детей в этой семье?

Ответы.

а) В данной задаче представлены разные формы глухонемоты. ААвв – родители и дети в одной семье; ааВВ – родители и дети в другой семье. АаВв – дети от второго брака.

в) 50% (генотип мужа АаВв, жены – ааВВ).

г) Нулевая. Все дети должны получить от отца нормальные гены, необходимые для развития органа слуха. Его глухота – не наследственной природы, а фенокопия данной болезни.

3. Синтез интерферона у человека зависит от двух генов, один из которых находится в хромосоме 2, а другой – в хромосоме 5.

а) Назовите форму взаимодействия между этими генами.

б) Определите вероятность рождения ребенка, не способного синтезировать интерферон, в семье, где оба супруга гетерозиготны по указанным генам.

Эпистаз

1. Так называемый бомбейский феномен состоит в том, что в семье, где отец имел

I группу крови, а мать III, родилась девочка с I группой. Она вышла замуж за мужчину со II группой крови, и у них родилось две девочки: первая с IV, вторая –

с I группой крови. Появление в третьем поколении девочки с IV группой крови от матери с I группой крови вызвало недоумение. Однако в литературе было описано еще несколько подобных случаев. Некоторые генетики склонны объяснять это явление редким рецессивным эпистатическим геном, способным подавлять действие генов, определяющих группу крови А и В.

Принимая эту гипотезу:

а) Установите вероятные генотипы всех трех поколений, описанных в бомбейском феномене.

б) Определите вероятность рождения детей с I группой крови в семье первой дочери из третьего поколения, если она выйдет замуж за такого по генотипу мужчину, как она сама.

в) Определите вероятные группы крови у детей в семье второй дочери из третьего поколения, если она выйдет замуж за мужчину с IV группой крови, но гетерозиготного по редкому эпистатическому гену.

Полимерия

1. Рост человека контролируется тремя парами генов, которые взаимодействуют по принципу полимерии. Самые низкорослые люди имеют все рецессивные гены и рост 150 см, самые высокие – все доминантные гены и рост 180 см.

а) Определите рост людей, гетерозиготных по всем трем парам генов роста.

б) Низкорослая женщина вышла замуж за мужчину среднего роста. У них было четверо детей, которые имели рост 165 см, 160 см, 155 см и 150 см. Определите генотипу родителей и их рост.

2. У человека цвет кожи определяется в основном двумя неаллельными генами. Четыре доминантных аллеля А 1 А 1 А 2 А 2 определяют черный цвет кожи, а четыре рецессивных аллеля а 1 а 1 а 2 а 2 – белый цвет кожи. Мулаты могут иметь темную, смуглую и светлую окраску кожи.

а) Сколько фенотипических классов по цвету кожи может быть у детей от брака двух смуглых мулатов, гетерозиготных по двум парам аллелей.

б) Можно ли ожидать рождения более темных детей от светлых родителей?

Пенетрантность

В настоящее время накоплено немало примеров, когда доминантные гены не всегда проявляются в виде признаков и свойств организма. Вероятность реализации гена в фенотипе Н.В. Тимофеев-Ресовский (1927 г.) предложил назвать пенетрантностью. Пенетрантность выражается процентом особей, у которых данный ген проявился в виде признака или свойства.

1. Определите вероятность рождения детей различных фенотипов в семье, где один из родителей носитель доминантного аутосомного гена арахнодактилии, а второй нормален. Известно, что пенетрантность этого гена составляет 30%.

Решение.

Если бы пенетрантность гена арахнодактилии составляла 100%, то вероятность детей в этой семье была бы равной:

Р: аа х Аа

норма арахнодактилия

0,5 норма 0,5 арахнодактилия

Однако арахнодактилия проявляется только у 30% детей – носителей этого гена. Следовательно, арахнодактилия будет только у 15% всех детей (0,5 ∙ 0,3 = 0,15). Остальные 85% детей будут с нормальными пальцами.

Ответ: 15% - арахнодактилия, 85% - норма.

2. Врожденный сахарный диабет обусловлен рецессивным аутосомным геном d с пенетрантностью у женщин 90%, у мужчин – 70%. Определите вероятность фенотипов детей в семье, где оба родителя являются гетерозиготными носителями этого гена.

Решение.

Очевидно, что вероятность получить этот рецессивный ген в гомозиготном состоянии у девочек и мальчиков будет 25% (0,25):

F 1: DD, Dd, Dd: dd

¾ здоровы ¼ диабетики

(потенциальные)

Однако в силу различной пенетрантности этого гена у девочек и мальчиков соотношение фенотипов среди девочек и мальчиков окажется разным. Вероятность сахарного диабета у девочек окажется 22,5% (0,25 ∙ 0,9 = 0,225), у мальчиков 17,5% (0,25 ∙ 0,7 = 0,175). Так как вероятность рождения мальчиков и девочек примерно одинакова (0,5), то вероятность появления диабетика в этой семье равна 20% (0,225 + 0,175) ∙ 0,5 = 0,2. Следовательно, вероятность фенотипов детей в этой семье составляет 80% здоровых и 20% диабетиков.

Ответ: 80% здоровы, 20% диабетики.

3. В брак вступили нормальные мужчина и женщина, в семьях которых один из родителей страдал врожденным псориазом (чешуйчато-корковые поражения кожи). Определите вероятность фенотипов детей в семье, если пенетрантность гена псориаза составляет 20%.

4. Определите вероятность рождения нормальных детей в семье, где оба родителя с аниридией (отсутствие радужной оболочки глаза) и происходят из семей, в которых один из супругов имел эту аномалию. Известно, что пенетрантность этого гена около 80%.

5. У человека птоз (опущение века) определяется аутосомным рецессивным геном с пенетрантностью 60%. Определите вероятность рождения детей различных фенотипов в семье, где оба родителя являются гетерозиготными.

6. Отосклероз (очаговое поражение косточек среднего уха, способное вызвать глухоту) наследуется как доминантный аутосомный признак с пенетрантностью 30%. Определите вероятность фенотипов детей в семье, где оба родителя гетерозиготны по этому гену.

7. Кареглазый мужчина, страдающий ретинобластомой (злокачественная опухоль глаза), мать которого была голубоглазой и происходила из благополучной семьи, а отец – кареглазым и страдал ретинобластомой, женился на женщине, все предки которой были здоровыми. Какова вероятность появления в этой семье голубоглазых детей с ретинобластомой, если пенетрантность этого гена – 60%?

Закон Харди-Вайнберга

Генные болезни

При решении ситуационных задач 1-7 определить:

А) название заболевания,

Б) тип наследования,

В) причины возникновения,

Хромосомные болезни

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1. Заяц, Р.Г. Основы общей и медицинской генетики: учебное пособие / Р.Г.Заяц, И.В.Рачковская. – Минск: Вышэйшая школа, 1998. – 255 с.

2. Орехова, В.А. Медицинская генетика: учебное пособие / В.А.Орехова, Т.А.Лашковская, М.П.Шейбак. – Минск: Вышэйшая школа, 1997. – 123 с.

Дополнительная:

1. Болгова, И.В. Сборник задач по общей биологии / И.В.Болгова. – Москва: Оникс, 2005. – 256 с.
2. Бочков, Н.П. Медицинская генетика / Н.П.Бочков, А.Ф.Захаров, В.И.Иванов. – Москва: Медицина, 1984. – 368 с.
3. Каминская, Э.А. Общая генетика /Э.А.Каминская. – Минск: Вышэйшая школа, 1992. – 352 с.
4. Карузина, И.П. Учебное пособие по основам генетики / И.П.Карузина. – Москва: Медицина, 1980. – 224 с.
5. Медицинская биология и общая генетика: тесты для студентов / Р.Г.Заяц [и др.]; под общ. ред. Р.Г.Заяц, В.Э.Бутвиловский, И.В.Рачковская, И.И.Жигунов, В.В.Давыдов. – Минск: МГМИ, 2001. – 301 с.
6. Морозов, Е.И. Генетика в вопросах и ответах / Е.И.Морозов, Е.И.Тарасевич, В.С.Анохина. – Минск: Университетское, 1989. – 288 с.
7. Песецкая, Л.Н. Практикум по генетике / Л.Н.Песецкая. – Минск: Сэр-Вит, 2005. – 80 с.
8. Материалы государственных программ.

Интернет-ресурсы:

1. Генетика человека - Википедия - Режим доступа:ru.wikipedia.org

2. Генетика человека. Медицинская генетика. Клиническая генетика. – Режим доступа: eurolab. ua

3. Генетика человека. – Режим доступа: images.yandex.by

СБОРНИК ЗАДАЧ

для самостоятельной работы по учебным дисциплинам

«Медицинская генетика»

«Основы медицинской генетики»

Составитель Судас Елена Ивановна, преподаватель медицинской генетики, высшая квалификационная категория по специальности «Преподаватель»

Рассмотрено на заседании цикловой комиссии общемедицинских дисциплин

Протокол № от « » 2011 г.

Председатель цикловой комиссии

Тема: «Цитологические основы наследственности»

1. В культуре тканей человека в одной из клеток во время ненормального митоза дочерние хромосомы одной из коротких хромосом (№21) попали в одно ядро в результате не расхождения, кроме того, произошла элиминация (гибель или удаление) другой хромосомы (№15). Сколько хромосом будут иметь дочерние клетки?

Решение.

В результате не расхождения сестринских хроматид 21-й хромосомы в той клетке, куда они попали, будет три хромосомы № 21, но не будет хватать одной хромосомы № 15, в результате общее число хромосом в этой клетке будет 46. А в другой клетке, которая не получит одну хромосому № 21 и одну хромосому № 15, будет 44 хромосомы, так как в нормальных клетках человека 46 хромосом.

1. Могут ли в яйцеклетке женщины, имеющей 23 хромосомы, 22 быть отцовскими?
2. Человек имеет 46 хромосом. Сколько хромосом в сперматоцитах 1-го порядка?
3. Сколько функционирующих гамет образуется в норме из 100 первичных сперматоцитов? 100 вторичных ооцитов?
4. Во время ненормального мейоза в исходной клетке человека одна пара гомологичных хромосом отошла к одному полюсу (нерасхождение). Сколько хромосом оказалось в каждой клетке, образовавшейся в результате мейоза?
5. Сколько бивалентов имеется в метафазе I у человека?
6. Укажите хромосомную формулу женской яйцеклетки.
7. Укажите хромосомные формулы мужских сперматозоидов.
8. Закончите формулу оплодотворения и укажите пол будущего ребенка ♀ 22 А + Х ∙ ♂ 22 А +Y.
9. Закончите формулу оплодотворения и укажите пол будущего ребенка ♀ 22 А + Х ∙ ♂ 22 А +Х.
10. Объясните, почему количество хромосом в диплоидном наборе всегда представлено четным числом.
11. В чем значение митоза в передаче наследственной информации?
12. Проведите сравнительный анализ процессов митоза и мейоза. Назовите принципиальные отличия и черты сходства.
13. Какое значение имеют процессы конъюгации, кроссинговера и свободного перекомбинирования хромосом в мейозе?
14. Укажите отличия спермато- и оогенеза.
15. Почему половые клетки должны иметь гаплоидный, а не диплоидный набор хромосом? Представьте, что они диплоидны. Каковы возможные последствия?

Реферат на тему:

«Цитологические основы наследственности»

1.Предмет и проблематика медицинской генетики

2.Клетка - основная единица биологической активности

3.Строение хромосом

4.Жизненный цикл клетки. Митоз, его значение. Патология митоза

5. Строение и размножение половых клеток. Гаметогенез. Мейоз. Патология мейоза

1. Предмет и проблематика медицинской генетики

Медицинская генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости под углом зрения патологии (болезни), а именно - причины возникновения наследственных болезней, характер их наследования в семьях, распространение в популяциях людей, специфические процессы на клеточном и молекулярном уровнях.

Генетические факторы влияют на причину многих не наследственных в обычном смысле слова болезней, накладывая отпечаток на возможность возникновения, течение и исход болезни. Здесь стоит вопрос о наследственной предрасположенности к болезням.

К кругу задач медицинской генетики ОТl1Осится изучение наследственной изменчивости - геномных, хромосомных и генных мутаций. Генетика выясняет условия их возникновения. При действии на формирующиеся половые клетки здоровых людей химических соединений и физических факторов возникает изменение генетических механизмов - мутации, которые выявляются не у лиц, подвергшихся воздействию, а у их потомства и выражаются в виде наследственных болезней и пор оков развития.

К задачам медицинской генетики относится разработка методов лечения наследственных болезней, методов ранней диагностики (распознавания) наследственных болезней и методов их превентивного (предупредительного) дородового лечения.

Чтобы понять основы наследственности и изменчивости человека, необходимо знать строение и функции клетки.

2. Клетка - основная единица биологической активности

В природе существуют многоклеточные, одноклеточные и неклеточные организмы.

У многоклеточных организмов клетки имеют оформленное ядро и цитоплазму с органоидами. Такие клетки называются эукариотами. у эукариот ДНК может спирализоваться и упаковываться белкамигистонами, а при делении клеток образуются хромосомы.

У одноклеточных организмов (бактерий и сине-зеленых водорослей) ядерное вещество не покрыто ядерной оболочкой; одна молекула ДНК замкнута в кольцо; нет белков-гистонов, которые упаковывают ДИК; дик деспирализована (раскручена); отсутствуют мембранные органоиды, нет клеточного центра. Такие клетки называются прокариотами.

Строение эукариотической клетки

Эукариотическая клетка состоит из оболочки, цитоплазмы и ядра. Оболочка или мембрана покрывает клетку снаружи, отделяя ее

содержимое от окружающей среды. Мембраной покрыты: большинство органоидов клетки. Мембрана состоит из 2-х слоев липидов, между которыми расположен слой белка. На мембранах происходят многочисленные биохимические процессы.

Цитоплазма - полужидкая слизистая бесцветная масса сложного строения. В цитоплазме расположены: 1) ядро; 2) органоиды; 3) включения.

1) Ядро состоит из: а) хроматина; б) ядрышка; в) ядерного сока; г) ядерной оболочки.

а). Хроматин - интенсивно окрашенные глыбки, гранулы и сетевидные структуры ядра. Они состоят из деспирализованной ДНК и белка. Во время деления клетки ДНК уплотняется и упаковывается с помощью белков-гистонов (структурные белки), превращаясь в хромосомы. Спирализованные участки ДНК не активны - на них не происходит синтез иРНК. Передача генетической информации осуществляется деспирализованными участками ДНК. Когда ядро находится в интерфазе (между делениями).

Различают хроматин 2-х видов: эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин слабо окрашен, активен, на нем происходит транскрипция иРНК. Гетерохроматин хорошо окрашивается красителями, сильно спирализован, не активен. Перед делением нити хроматина превращаются в хромосомы и теперь гетерохроматин контролирует степень конденсации (уплотнении) и спирализации хромосом, делая нити ДНК во время деления клетки недоступными для транскрипции и-РНК. В хромосомах участки эухроматина и гетерохроматина чередуются в виде светлых и темных полос.

Гетерохроматин появляется в интерфазном ядре женских клеток. В женском организме имеется две: половых Х-хромосомы, одна из которых сильно спирализована и плотно упакована уже на ранних этапах эмбрионального развития и видна в виде глыбки хроматина, прикрепленного к 15 оболочке ядра. В мужском организме одна половая Х-хромосома, а вторая половая У-хромосома. Благодаря сильной спирализации одной хромосомы у женщин организмы мужчин и женщин уравновешиваются по количеству функционирующих генов. Глыбки хроматина, прикрепленные к оболочке ядра в женских клетках, называются половым хроматином или тельцем Барра.

Половой хроматин имеет диагностическое значение. Отсутствие его в ядрах клеток у женщин и присутствие у мужчин свидетельствует о наследственном заболевании. Определяют половой хроматин путем анализа эпителиальных клеток в соскобе слизистой оболочки щеки или в клетках крови- лейкоцитах.

б) Ядрышко формируется на определенных хромосомах с генами, кодирующими синтез и-РНК; в нем образуются субчастицы рибосом. Ядрышко обнаруживается только в неделящихся клетках.

в). Ядерный сок - кариоплазма - это бесструктурная масса, состоящая из белков, различных РНК Свободных нуклеотидов, аминокислот, продуктов обмена.

г). Ядерная оболочка - состоит из 2-х мембран, пронизанных порами, через которые вещества проникают из цитоплазмы в ядро и выводятся из ядра в цитоплазму.

2) Органоиды. К ним относятся: эндоплазматическая сеть, рибосомы, аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, клеточный центр.

а) Митохондрии - это энергетические станции клетки. Они образуют и накапливают энергию в виде АТФ. Митохондрии имеют 2 мембраны: наружную гладкую и внутреннюю, образующую складки (кристы), что увеличивает внутреннюю поверхности, митохондрий. На внутренней мембране синтезируется АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).

б) Рибосомы - состоят из 2-х субчастиц: большой и малой, состоящих из белка и рибосомальной рнк. Между большой и малой частями находится Функциональная зона, в которой проходит и-РНК, в большой субъединице образуются полипептидные связи между аминокислотами в процессе синтеза белка.

в) клеточный центр - состоит из 2-х центриолей, расположенных под прямым углом друг к другу. Каждая центриоль-цилдиндр, состоящий из 2 триплетов микротрубочек. Клеточный центр растягивает хроматиды (хромосомы) во время деления клетки, обеспечивая равноценное распределение генетического материала между дочерними клетками.

3) Включения- непостоянные компоненты клетки. Их можно разделить на несколько групп: 1) трофические (питательные): жиры, углеводы; 2) секреторные (нужные организму): гормоны, ферменты; 3) экскреторные (ненужные и подлежащие выделению из организма): мочевая, кислота и др.; 4) пигментные:: меланин (коричневый пигмент).

3. Строение хромосом

Хромосомы- это интенсивно окрашенное тельце, состоящее из молекулы ДНК, связанной с белками-гистонами. Хромосомы формируются из хроматина в начале деления клеток (В профазе митоза), но лучше их изучать в метафазе митоза. Когда хромосомы располагаются в плоскости экватора и хорошо видны в световой микроскоп, Т.К.В это время ДНК достигает максимальной спирализации.

Хромосомы состоят из 2 сестринских хроматид (удвоенных молекул ДНК), соединенных друг с другом в области первичной перетяжки- центромеры. Центромера делит хромосому на 2 плеча. В зависимости от расположения центромеры хромосомы бывают; 1) метацентрические центромера расположена в середине хромосомы и плечи ее равны; 2)субметацентрические центромера смещена от середины хромосом и одно плече короче другого; 3) акроцентрические - центромера расположена близко к концу хромосомы. И одно плечо значительно короче другого. В некоторых хромосомах есть вторичные перетяжки, отделяющие от плеча хромосомы участок, называемый спутником, из которого в интерфазном ядре образуется ядрышко,

Правила хромосом

1.Постоянство числа хромосом.

Соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека -46, у кошки- 38, У мушки дрозофилы - 8, у собаки -78. у курицы -78).

2.Парность хромосом.

Каждая. хромосома в соматических клетках с диплоидным набором имеет такую же гомологичную (одинаковую) хромосому, идентичную по размерам, форме, но неодинаковую по происхождению: одну-от отца, другую - от матери.

3. Правило индивидуальности хромосом.

Каждая пара хромосом отличается от другой пары размерами, формой, чередованием светлых и темных полос.

4. Правило непрерывности.

Перед делением клетки ДНК удваивается и в результате получается 2 сестринские хроматиды. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде, таким о6разом, хромосомы непепрывны: от хромосомы образуется хромосома.

Все хромосомы подразделяются на аутосомы и половые хромосомы. Половые - это 23 пара хромосом, определяющая формирование мужского 11 женского организма.

Аутосомы - все хромосомы в клетках, за исключением половых хромосом, их 22 пары.

В соматических клетках присутствует.двойной - диплоидный набор хромосом, в половых-, гаплоидный (одинарный).

Определенный набор хромосом клетки, характеризующийся постоянством их числа, размером и формой, называется кариотипом .

Для того, чтобы разобраться в сложном наборе хромосом, их располагают попарно по мере убывания их величины, с учетом! положения центромеры и наличия вторичных перетяжек. Такой систематизированный кариотип называется идиограммой.

Впервые хромосомы так систематизировали на конгрессе генетиков в Денвере (США, 1960 г.)

В 1971 г. в Париже классифицировали хромосомы по окраске и чередованию темных и светлых полос гетеро - и эухроматина.

Для изучения кариотипа генетики используют метод цитогенетического анализа, при котором можно диагностировать ряд наследственных заболеваний, связанных с нарушением числа и формы хромосом.

4.Жизненный цикл клетки. Митоз его значение. Патология митоза

Жизнь клетки от момента eе возникновения в результате деления до ее собственного деления или смерти называется жизненным циклом клетки.

В течение всей жизни клетки растут, дифференцируются. Выполняют специфические функции. Жизнь клетки между делениями называется интерфазой. Интерфаза состоит из 3-х периодов: пресинтетический, синтетический и постсинтетический. Пресuнтетический период следует сразу за делением. В это время клетка интенсивно растет, увеличивая количество митохондрий и рибосом. В ядре клетки набор генетического материала = 2п2с. В синтетический период происходит репликация (удвоение) количества ДНК, а также синтез РНК и белков. Набор генетического материала (хроматина) становится 2п4с. В постсинmетический период клетка запасается энергией, синтезируются белки ахроматинов ого веретена, идет подготовка к митозу.

Существуют различные типы деления клеток: амитоз, митоз, мейоз.

Амитоз - прямое деление прокариотических клеток и некоторых клеток у человека.

Митоз - непрямое деление клеток, во время которого из хроматина образуются хромосомы. Митозом делятся соматические клетки эукариотических организмов, в результате чего дочерние клетки получают точно такой же набор хромосом, какой имела дочерняя клетка. Митоз состоит из 4-х фаз: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Профаза - начальная фаза митоза. В это время начинается спирализация ДНК и укорочение хромосом, которые из тонких невидимых нитей хроматина становятся короткими толстыми, видимыми в световой микроскоп, и располагаются в виде клубка. Ядрышко и ядерная оболочка исчезает, и ядро распадается, центриоли клеточного центра расходятся по полюсам клетки, между ними растягиваются нити веретена деления (2п4с).

Метафаза - хромосомы движутся к центру, к ним прикрепляются нити веретена. Хромосомы располагаются в плоскости экватора. Они хорошо видны в микроскоп и каждая хромосома состоит из 2-х хроматид. В этой фазе можно сосчитать число хромосом в клетке (2п4с).

Анафаза - сестринские хроматиды (появившиеся в синтетическом периоде при удвоении ДНК) расходятся к полюсам.

Набор хромосом остается 2п, но хроматид 2.

Телофаза (telos греч. - конец) обратна профазе: хромосомы из коротких толстых видимых становятся тонкими длинными невидимыми в световой микроскоп, формируются ядерная оболочка и ядрышко.

Заканчивается телофаза разделением цитоплазмы с образованием двух дочерних клеток (2n2c).

Биологическое значение митоза.

1) в результате митоза дочерние клетки получают точно такой же набор хромосом, который был у материнской клетки, поэтому во всех метках тела (соматических) поддерживается постоянное число хромосом (2n2c).

2) митозом делятся все метки, кроме половых:

а) за счет митоза происходит рост организма в эмбриональном и постэмбриональном периодах;

б) все функционально устаревшие клетки организма заменяются новыми путем митотического деления (эпителиальные клетки кожи, клетки крови, клетки слизистых оболочек ит.Д.);

В) процессы регенерации (восстановление утраченных тканей) происходит за счет митоза.

При воздействии неблагоприятных условий на делящуюся клетку веретено деления может неравномерно растянуть хромосомы к полюсам, и тогда образуются новые клетки с разным набором хромосом, возникает патология соматических клеток (гетероплоидия аутосом), что приводит к болезни тканей, органов, организма.

5. Мейоз. Гаметогенез. Половые Клетки. Патология мейоза

Мейоз (от греческого meiosis - уменьшение) - деление, приводящее к уменьшению в ядре клетки числа хромосом. С помощью мейоза происходит образование и созревание половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов) из особых соматических клеток яичников и семеников. В результате мейоза число хромосом уменьшается вдвое (из диплоидных клеток образуются гаплоидные).

Мейоз состоит из 2-х последовательных делений: первого и второго, причем удвоение ДНК происходит только перед первым делением. Перед делением так же как в митозе удваивается ДНК, количество хроматид удваивается – 2n4c. При первом делении делится набор хромосом; 1n2с 2n4с 1n2c

После первого деления быстро наступает второе без подготовки и без синтеза ДНК. Деление протекает по типу митоза - ровно пополам делятся хроматиды, по набор хромосом остается половинным-1n1c.

В мейозе и митозе фазы называются одинаково: профаза, метафаза, анафаза, телофаза, но в профазе 1 деления мейоза происходит кроссинговер.

Биологическое Значение мейоза

1. Мейоз приводит к уменьшению числа хромосом вдвое, что обусловливает постоянство видов на Земле. Если бы число хромосом - не уменьшалось, то в каждом последующем поколении происходило бы увеличение числа хромосом вдвое (у родителей -- 46, У детей - 92, У внуков - 184 и. т.д.).

2. Мейоз обеспечивает разнородность гамет по генному составу (В профазе кроссинговер, в метафазе - свободное перекомбинирование хромосом).

3. Случайная встреча гамет (сперматозоидов и яйцеклетки) с качественно различным набором генов обусловливает комбинативную изменчивость (гены родителей комбинируются, вследствие "того у детей появляютея признаки, которых не было у родителей). Комбинативная изменчивость обеспечивает большое разнообразие человечества, но дает возможность приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды, способствуя выживаемости вида.

Итак, в результате мейоза образуются клетки с гаплоидным набором хромосом.

При нарушении деления возникают подовые клетки с неправильным набором хромосом (22 и 24) или с видоизмененными хромосомами, нарушением их строения. При оплодотворении появляется организм с врожденной наследственной патологией.

Половые клетки - гаметы обеспечивают передачу наследственной информации потомкам. Мужские гаметы - сперматозоиды, женские - яйцеклетки. Созревают гаметы в гонадах мужские - в семенниках, женские - в яичниках.

Процесс образования гамет называется гаметогенезом, развитие сперматозоидов - сперматогенезом, развитие, яйцеклетки - овогенезом.

Сперматогенез. Семенник состоит из многочисленных канальцев, в стенках которых происходит развитие сперматозоидов. За это время клетка проходит несколько этапов развития:

а) зона размножения расположена в наружном слое семенного канальца, здесь клетки делятся путем митоза (это диплоидные клетки 2n2c). Они размножаются на протяжении всего периода половой зрелости мужской особи и называются сперматогониями. Некоторые из них перемещаются к просвету канальца в зону роста;

б) зона роста - сперматогонии растут, и образуется сперматоцит 1. порядка (2n4с);

в) зона созревания - сначала происходит 1-е мейотическое деление и образуется сперматоцит 2 порядка - 1п2с; затем - 2-с мейотическое деление и образуются сперматиды - 1n1c;

г) зона Формирования - сперматиды превращаются в сперматозоиды, у них формируется головка, шейка и ХВОСТИК. Одновременно при половом акте выделяется около 200 млн. сперматозоидов. За всю жизнь в мужском организме продуцируются не менее 500 млрд. сперматозоидов. Сперматозоиды подвижны, v = 7мм/сек.

Овогенез. Он происходит в яичниках. Начинается деление в эмбриональный период, когда клетки яичников делятся митозом и образуются овогонии (2n2с), которые к моменту рождения превращаются в ооцит 1 порядка и задерживают свое дальнейшее развитие до полового созревания. С наступлением половой зрелости каждый овоцит переходит к росту: удваивается ДНК (2n4с), увеличивается размер, накапливаются белки, жиры, углеводы, пигменты. Каждый овоцит окружается мелкими фолликулярными клетками, обеспечивающими его питание. Сначала образуется первичный, затем вторичный и зрелый фолликулы. Зрелый фолликул (граафов пузырек) заполнен жидкостью, а внутри него находится яйцеклетка. Далее происходит овуляция (стенка зрелого фолликула лопается, яйцеклетка попадает в воронку маточной трубы), и наступает созревание яйцеклетки- 1-емейотическое деление. Из овоцита 1 порядка образуется овоцит 2 порядка и направительное тельце, в которое уходит только избыток хромосомного материала 1n2с), а запас питательных веществ остается в овоците второго порядка. 2-е мейотическое деление заканчивается образованием овоцита или зрелой половой яйцеклетки и трех направительных тельца с половиной генетического материала (1n1c). Направительные тельца вскоре погибают.

К началу полового созревания в яичниках находится примерно 100000 овоцитов, однако за весь репродуктивный период в яичниках женщины образуется примерно 300-400 овоцитов.

Отличие сперматогенеза от овогенеза

1. При сперматогенезе из 1 исходной клетки образуется 4 сперматозоида, а при овогенезе образуется 1 яйцеклетка и 3 направительных тельца.

2. При сперматогенезе зона роста очень короткая, при овогенезе длинная (накапливается запас питательных веществ для будущего зародыша).

З. При сперматогенезе есть, зона формирования, при овогенезе - она не выражена.

Отличие половых клеток от соматических:

1. В половых клетках гаплоидный набор хромосом, в соматических - диплоидный.

2. Форма и размеры половых клеток отличаются от соматических, сперматозоид имеет головку, шейку и хвостик, а яйцеклетка круглая с большим запасом питательных веществ; она в 85000 раз больше сперматозоида (у птиц).

При соприкосновении с яйцеклеткой сперматозоид выделяет фермент гиалуронидазу, муциназу, которые разрушают оболочки яйцеклетки. Сперматозоид проникает в яйцеклетку, происходит оплодотворение, образуется зигота с диплоидным набором хромосом (2n2с): один набор - от отца (1n1c), другой - от матери (1п1с).

Таким образом, во всех клетках тела имеется диплоидный набор хромосом, а в половых - гаплоидный. Вся наследственная информация передается от родителей детям через, половые клетки.

Список используемой литературы

1. Медицинская генетика / Под ред. Бочкова Н.П. - М.: Мастерство, 2001.

2. Ярыгин В.Н., Волков И.Н. и др. Биология. - М.: Владос, 2001.

З. Биология / Под ред. Чебышева. Н.В. - М.: ГОУ ВУНМЦ, 2005.

4. Орехова. В.А., Лажковская Т.А., Шейбак М.П. Медицинская генетика. - Минск: Высшая школа, 1999.

5. Пособие по биологии для довузовского обучения иностранных учащихся / Под ред. Чернышова В.Н., Елизаровой Л.Ю., Шведовой Л.П.- М.: ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ, 2004.

6. Врожденные пороки развития // Серия учебной литературы «Образование медсестер», модуль 10. - М.: Гэотар-мед, 2002.

Цитологические основы наследственности

Под наследственностью понимается свойство родителей передавать свои признаки и особенности развития следующему поколению .Благодаря этому из зиготы (исходной клетки) при половом размножении или из группы соматических клеток при бесполом размножении возникает новый организм с комплексом признаков, свойств и особенностей развития, присущим его родителям. Такое сходство обусловлено тем, что с самого начала и на протяжении всей жизни дочерний организм развивается в основном так же, как и родители. Но для этого необходима вполне определенная четкая программа. Поскольку связь между поколениями осуществляется через клетку, то следовательно, эта программа заключена в клетках. Что же собой представляет «программ» и где она находится? Вспомним сначала, что собой представляет клетка.

Клетки – структурные и функциональные единицы живых организмов. Мельчайшие живые организмы состоят из одной клетки, самые крупные – из миллиардов клеток, каждая из которых выполняет определенную функцию и относительно независима.

Растительная клетка состоит из клеточной оболочки и протопласта. Протопласт состоит из цитоплазмы и ядра. В цитоплазме находятся органеллы (рибосомы, митохондрии, пластиды) т мембранные системы. Кроме того, цитоплазма включает в себя цитоплазматический матрикс, или основное вещество, в которое погружены органеллы и мембранные системы. Цитоплазма отделена от клеточной оболочки плазматической мембраной. В живой растительной клетке основное вещество находится в постоянном движении, что способствует передвижению веществ в клетке, обмену между клетками и окружающей средой.

Все основные жизненно важные процессы происходят в цитоплазме. Для жизнедеятельности клетки необходима энергия. Ее доставляют в клетку некоторые соединения, в частности, глюкоза. В специальных структурах, которые называются митохондриями, энергия, заключенная в химических связях этих соединений, извлекается и преобразуется так, чтобы клетки могли ее использовать. Следовательно, митохондрии можно сравнить с энергетическими станциями, поставляющими энергию для клетки.

В процессе обмена веществ в клетку проникают различные сложные вещества. Чтобы быть использованными клеткой, они должны расщепиться на более простые составные элементы. Эти процессы происходят в особых тельцах, называемых лизосомами. Лизосомы – это своеобразные химические цеха клетки.

Наряду с расщеплением в клетках идут процессы синтеза различных соединений и в первую очередь белков. Синтез осуществляется в мельчайших тельцах – рибосомах, которыми усеяна эндоплазматическая сеть. На рибосомах идет сборка белковых молекул, и поэтому их называют фабриками белка или сборочными станками. В цитоплазме растительных клеток имеются также пластиды, которые осуществляют фотосинтез (хлоропласты), синтез крахмала и пигментов (лейкопласты и хромопласты).

Ядросоставляет примерно одну треть веса клетки, и занимают 10-20 % от общего объема. В каждой клетке ядро имеет зернистый сетчатый вид благодаря нитям хроматина. Кроме хроматина в ядре содержится одно или несколько ядрышек. Ядро отделяется от цитоплазмы оболочкой с многочисленными порами, через которые осуществляется взаимообмен различными веществами между ядром и цитоплазмой.

Биохимическую основу ядра составляют белки, нуклеиновые кислоты, липоиды. Присутствуют также различные минеральные соли, в основном соли кальция и магния.

Ядро является важнейшей частью клетки, без которой клетка не может жить. Оно играет активную роль в метаболизме клетки, в стимуляции синтеза белков ex situПочти вся наследственная информация храниться в особых хромотиновых нитях, при делении клетки превращающихся в хромосомы и являющихся неотъемлемой составной частью ядра. Именно на них записана та наследственная программа, по которой должно идти развитие нового организма.

Главными клеточными структурами, ответственными за хранение и передачу наследственной информации, являются хромосомы

Разные виды организмов различаются между собой не только числом хромосом в наборе, но и их индивидуальной морфологией. При описании отдельных хромосом обычно указывают на следующие признаки: размер хромосомы и ее отдельных частей, наличие и местоположение первичных и вторичных перетяжек, присутствие спутника хромосомы. Совокупность всех морфологических признаков (включая и число хромосом), по которым возможна идентификация данного хромосомного набора, называется кариотипом , а графическое изображение кариотипа – идиограммой

Форма каждой хромосомы определяется положением первичной перетяжки, где расположена центромера. Если центромеро локализована в хромосоме посередине, то такая хромосома выглядит как равноплечная, или метацентрическая . Концевые сегменты хромосом называются теломерами. Если первичная перетяжка делит хромосому на две неравные теломеры, то образуется или слабонеравноплечная, субметацентрическая, или резко неравноплечная, акроцентрическая хромосома. Кроме первичной перетяжки хромосомы могут иметь вторичные перетяжки. Иногда вторичные перетяжки очень заметны и отделяют от основной части хромосомы небольшой фрагмент, называемый спутником. Такие хромосомы называются спутниковыми.

Кариотип является одной из основных характеристик того или иного вида растений. В лесной генетике и селекции кариотипический анализ необходим при оценке причин нескрещиваемости. В последние годы особое внимание уделяется изучению роли кариотипической изменчивости в видообразовании.

Морфология хромосом лучше изучена у хвойных, чем у лиственных пород. Дело в том, что у покрытосемянных хромосомы мелкие и их различие трудно уловить в световом микроскопе. Даже у хвойных видов, имеющих сравнительно крупные хромосомы, они определяются с трудом, так что приходится описывать не хромосомы, а их группы. Различия между видами могут выражаться в количестве групп одинаковых хромосом, в абсолютной длине диплоидного набора хромосом, объеме клеточного ядра.

Вторичные перетяжки являются для хвойных растений важным морфологическим признаком кариотипа. Различия кариотипа между популяциями одного вида чаще всего ограничиваются числом и локализацией вторичных перетяжек. Район вторичной перетяжки на хромосоме считается ядрышкообразующим, ответственным за синтез рибосомной РНК. Поэтому наличие определенного числа вторичных перетяжек может свидетельствовать об уровне обменных процессов в клетке, организме и в популяции в целом.

Нередко виды, принадлежащие к одному роду и даже разные роды в своих соматических клетках имеет одинаковое число хромосом. Например, пихта, ель, сосна, лиственница имеют кариотипы, равные 24 хромосомам, однако морфология хромосом у них разная. Число хромосом у осины и ивы равно 38, у ольхи черной и березы бородавчатой – 28, у дуба черешчатого и бука – 24, у ясеня обыкновенного – 46, а у лещины 22 хромосомы.

Число хромосом в клетках организма не связано с уровнем его организации. Например, у сазана = 104, а у человека – 46. Близкие роды могут иметь большие различия в числе хромосом, и наоборот, далекие роды содержат одинаковое число хромосом. У различных видов хромосомы бывают разных размеров и форм. Хромосомы у хвойных пород значительно длинее и толще, чем у лиственных. Наиболее мелкие они у ив и тополей. Вообще же длина хромосом может колебаться от 0,2 до 25 микрометров.

В соматических клетках число хромосом в два раза больше, чем в зрелых половых клетках. Это объясняется тем, что зигота - исходная соматическая клетка, из которой в результате многократного деления формируется весь организм, образуется в результате слияния мужской и женской половых клеток и объединения их наборов хромосом. Набор хромосом в соматических клетках называется диплоидным и обозначается «2n», в половых клетках – гаплоидным и имеет обозначение «n».

В клетке хромосомы также морфологически разнородны. Но поскольку ее диплоидный набор является суммой двух гаплоидных наборов (одни от отца, другой от матери), в нем всегда содержатся парные, совершенно одинаковые по своей морфологии хромосом, которые называются гомологичными.

Каждая хромосома имеет сложную структуру. В основе их лежат нуклеиновые кислоты и белки.

Белки – это сложные биологические полимеры. Полимерами называются химические соединения, большие молекулы которые состоят из более мелких малекул-мономеров. В белковых молекулах такими мономерами являются аминокислоты. Следовательно, белки состоят из аминокислот. Всего аминокислот, входящих в состав белков, 20, они образуют так называемую полипептидную цепочку белка. Вид белка, его свойства зависит, прежде всего, от того, какие аминокислоты входят в его состав и в каком количестве. Но при совершенно одинаковом аминокислотном составе мы будем иметь различные белки, если последовательность чередования аминокислот в их полипептидных цепочках разная. Оказывается, что вид и свойства белков определяются не только составом аминокислот и их количеством, но и последовательностью соединения аминокислот в белковых молекулах. Достаточно хотя бы в одном месте изменить эту последовательность, как возникает новый белок с иными свойствами. Благодаря этому всего лишь двадцать различных аминокислот могут образовывать громадное число (~10 24) различных комбинаций. Если еще учесть, то вид и свойства белков зависят также от того, как свернута полипептидная цепочка, то становится понятным то колоссальное разнообразие белков, которое имеет место в живой природе.

Исключительно велика роль белков в органическом мире. Прежде всего белки служат основным строительным веществом клеток, а, следовательно, тканей, органов и организма в целом. Все основные жизненные отправления живых существ связаны с бесконечным числом биохимических процессов, которые идут с помощью биологических катализаторов - ферментов, а все ферменты являются белками. Белки принимают самое непосредственное участие в размножении организмов. О роли белков можно было бы говорить и дальше. Но уже из сказанного следует, что белки в бесконечном своем разнообразии являются основой жизни. «Жизнь есть способ существования белковых тел» - Ф. Энгельс.

Если значение белков столь велико, то следовательно, дочерний организм имеет те же признаки и свойства потому, что с момента зарождения и в процессе развития у него синтезируются те же белки и в той же последовательности, что и у родителей (при половом размножении) или исходной особи (при бесполом размножении).

Отсюда можно сделать вывод: сущность наследственности заключается в том, что синтез белков в возникающем и развивающимся организме идет по той же программе, что и в родительских организмах или исходной особи.

Цитогенетика и материальные основы наследственности.

Согласно положению клеточной теории (Рудольф Вирхов), новая клетка может появиться только из клетки. Новое поколение при делении клетки от своих родителей получает все признаки, формирующие его организм. Изучением строения материальных структур наследственности и изменчивости и их функционированием занимается особый раздел генетики – цитогенетика .

Основной предмет исследований цитогенетики - хромосомы, их организация, функционирование и наследование. При классическом цитогенетическом анализе проводят одновременно цитологическое (микроскопическое) исследование хромосом и генетический анализ наследования признаков. Цитогенетику подразделяют на общую, в которую включают также популяционную и радиационную цитогенетику, и частную - цитогенетику растений, цитогенетику животных и цитогенетику человека (в том числе медицинскую цитогенетику).

Однако, в передаче наследственных признаков участвуют не только хромосомы, но и другие клеточные структуры. Такое наследование называется внехромосомной (цитоплазматической) наследственностью и ее изучает раздел генетики, называемый клеточной генетикой . При изучении материальных основ наследственности используются не только методы генетики и цитологии, но, и методы молекулярной биологии, цитохимии, кариологии и др.

Роль хромосом в наследовании признаков была определена далеко не сразу, да и установление того факта, что в каждой клетке живого организма обязательно присутствие хромосом заняло продолжительный период. Первые исследования хромосом начались более 100 лет назад с помощью обычного светового микроскопа.

Сейчас сложно сказать, кто сделал первое описание и рисунок хромосом. В 1872г. швейцарский ботаник Карл Вильгельм Нэгили опубликовал работу, в которой изобразил некие тельца, возникающие на месте ядра во время деления клетки при образовании пыльцы у лилии (Lilium tigrinum) и традесканции (Tradescantia). Однако его рисунки не позволяют однозначно утверждать, что Карл Нэгили видел именно хромосомы.

В том же 1872 году ботаник Эдмунд Руссов привел свои изображения деления клеток при образовании спор у папоротника из рода ужовник (Ophioglossum) и пыльцы лилии (Lilium bulbiferum). На его иллюстрациях легко узнать отдельные хромосомы и стадии деления.

Некоторые исследователи полагают, что первыми увидел хромосомы немецкий ботаник Вильгельм Фридрих Хофмайстер задолго до К.Нэгили и Э.Руссова, еще в 1848-1849 гг. При этом ни К.Нэгили, ни Э.Руссов, ни тем более В. Хофмейстер не осознавали значения того, что видели.

В разных статьях и книгах приоритет открытия хромосом отдают разным людям, но чаще всего годом открытия хромосом называют 1882 г., а их первооткрывателем - немецкого анатома Вальтера Флеминга. Однако справедливее было бы сказать, что он не открыл хромосомы, а в своей фундаментальной книге «Клеточное вещество, ядро и деление клетки» ("Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung") собрал и упорядочил сведения о них, дополнив результатами собственных исследований (рис. 1).

Рисунок из книги В.Флемминга, изображающий разные стадии деления клеток эпителия саламандры (W.Flemming. Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung. 1882г.)

В книге он описал непрямое деление ядра и привел много детальных рисунков. Ввел термины хроматин и митоз.

Термин «хромосома» был предложен немецким гистологом Х.Вальдейером в 1888г., «хромосома» в буквальном переводе означает «окрашенное тело», поскольку оснóвные красители хорошо связываются хромосомами.

Цитогенетика как наука сформировалась в начале 20 века. После переоткрытия в 1900г. законов Менделя потребовалось всего один-два года для того, чтобы стало ясно, что хромосомы ведут себя именно так, как это ожидалось от «частиц наследственности». В 1902г. Теодор Генрих Бовери (Германия) и в 1902-1903 гг. Уолтер Саттон и Эрнест Генри Вильсон (США) независимо друг от друга первыми выдвинули гипотезу о генетической роли хромосом. Они пришли к заключению, что именно хромосомы являются материальными носителями факторов наследственности, открытых Г. Менделем и позднее названных генами.

Т.Бовери обнаружил, что зародыш морского ежа Paracentrotus lividus может нормально развиваться только при наличии хотя бы одного, но полного набора хромосом. Также он установил, что разные хромосомы не идентичны по своему составу. У.Сеттон изучал гаметогенез у саранчового Brachystola magna и понял, что поведение хромосом в мейозе и при оплодотворении полностью объясняет закономерности расхождения менделевских факторов и образования их новых комбинаций.

В 1903 г. Сеттон в 1903 впервые использовал термин «цитогенетика».

В 1907 году американским исследователем К. Мак-Клонгом были открытыполовые хромосомы . Это событие было первым успехом применения микроскопа для решения задач генетики. Идентификация половых хромосом остается начальным этапом цитогенетического исследования всякого биологического объекта.

На начальных этапах развития изучались геномы, растений, низших животных, прокариот и вирусов. Цитогенетика человека и млекопитаю­щих, занимающая ведущее место в современной цитогенетике, развилась позже, главным образом в связи с методи­ческими трудностями.

Рассмотрим современные представления о макроструктуре хромосом . Прежде всего, необходимо отметить, что организация структур, отвечающих за наследственность у прокариотических и эукариотических организмов имеет отличия. В эукариотических клетках информация, необходимая для поддержания вида и нормального развития индивидуума, содержится в хромосомах, заключённых в клеточных ядрах, а у бактерий и сине-зеленых водорослей хромосомный материал, находится непосредственно в цитоплазме без ядерной оболочки.

Важная особенность хромосом заключается в их способности изменять свою структуру в зависимости от фазы клеточного цикла. Хромосомы как индивидуаль­ные структуры становятся доступными для исследова­ния после значительного уко­рочения и утолщения, кото­рые они испытывают в период подготовки клетки к деле­нию. Для соматических клеток таким делением является митоз, для генеративных - сначала митоз, а затем мейоз.

Хромосомы в этом состоянии представляют собой компактные палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом имеется перетяжка (первичная хромосомная перетяжка Х.п.), которая делит хромосому на два плеча. В области перетяжки расположена важная для удвоения хромосом структура, называемая центромерой (рис. 2).

Рисунок 2.

Центромера – это особое образование, к которому прикрепляются нити веретена деления. Участки хромосомы, разделенные центромерой, называются плечами. Длинное плечо хромосомы обозначают буквой q , короткое - буквой p .

У некоторых хромосом имеются вторичные перетяжки - морфологический признак, позволяющий идентифицировать отдельные хромосомы в наборе. От первичной перетяжки отличаются отсутствием заметного угла между сегментами хромосомы. Вторичные перетяжки бывают короткими и длинными и локализуются в разных точках по длине хромосомы. Эти зоны называют зоны ядрышка (организаторы ядрышка). У человека вторичные перетяжки имеют 9, 13, 14, 15, 21 и 22 хромосомы.

Некоторые хромосомы имеют сателлит (спутник) - это округлое или удлинённое тельце, отделённое от основной части хромосомы тонкой хроматиновой нитью, по диаметру равный или несколько меньший хромосоме. Хромосомы, обладающие спутником принято обозначать SAT-хромосомами. Форма, величина спутника и связывающей его нити постоянны для каждой хромосомы.

Концевые зоны хромосом называются теломерами. У позвоночных теломеры состоят из богатых G повторов ДНК-последовательностей (TTAGGG) и специфических белков, создающих эти специализированные структуры. Взаимодействуя со многими другими факторами в клетке, теломеры способствуют динамичной регуляции поддержания стабильности хромосом.

В зависимости от морфологии выделяют 4-х типа хромосом:

Метацентрические (V-образные хромосомы, обладающие плечами равной длины);

Субметацентрические (с плечами неравной длины, напоминающие по форме букву L);

Акроцентрические- резко неравноплечие (палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом);

Телоцентрические (палочковидные хромосомы с центромерой, расположенной на проксимальном конце).

Рис. 3. Типы метафазных хромосом: а - метацентрическая; б - субметацентрическая; в - акроцентрическая; г- телоцентрическая: 1 - короткое плечо; 2 - центромера; 3 - длинное плечо

Хромосомы различаются не только по морфологии, но и по величине. Размеры хромосом растений и животных колеблются от долей микрона до десятков микрон (0,2-50). Средние длины метафазных хромосом человека лежат в пределах 1,5-10 микрон, диаметр от 0,2 мкм (или 200 А). Длина каждой определенной хромосомы относительно постоянна. Таким об­разом, каждая хромосома индивидуальна. Учитывая морфологию и величину хромосом, в клетке их можно точно идентифицировать, а для удобства изучения при­сваивать им определенные номера, что и было сделано для хромосом человека и некоторых других организмов.

Совокупность хромосом соматической клетки, определяемую их числом, величиной и формой, называют кариотипом. Хромосомы, несущие генетическую информацию, ответственную за развитие соматических признаков, называют аутосомами . В то время как последнюю пару хромосом, связанную с генетикой пола, называют половыми хромосомами или гоносомами . Для обозначения половых хромосом у различных видов используются различные символы (буквы), зависящие от специфики определения пола таксона (различные системы половых хромосом). Так, у большинства млекопитающих женский кариотип гомогаметен, а мужской гетерогаметен, соответственно, запись половых хромосом самки XX, самца - XY. У птиц же самки гетерогаметны, а самцы гомогаметны, то есть запись половых хромосом самки ZW, самца - ZZ. Например, нормальный кариотип женщины: 46, XX; нормальный кариотип мужчины 46, XY.

При проведении кариологических исследований кариотип систематизируют, т.е. располагают хромосомы по форме и размерам. Кроме диплоидного числа хромосом в кариотипе часто обозначают число хромосомных плеч. Для его определения подсчитывают число двуплечих хромосом (мета- и субметацентрических); иногда при определении Ч.х.п. двуплечими считают и телоцентрические хромосомы, применяя обозначение (NF). chromosome arm number, NF - число хромосомных плеч.

Для кариотипа используется запись в системе Международной цитогенетической номенклатуры (International System for Cytogenetic Nomenclature) ISCN 1995, имеющая следующий формат:

1.количество хромосом

2.половые хромосомы

3. особенности.

Положения хромосомной теории были развиты Т. Морганом и его школой. Согласно этой теории передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенной последовательности, локализованы гены. Основателями классической генетики являются Томас Хант Морган, Кэлвин Бриджес, Алфред Генри Стёртевант и Герман Джозеф Мёллер, чьи экспериментальные работы с плодовой мушкой (D. melanogaster) позволили сформулировать

основные положения хромосомной теории наследственности:

1.Кариотип вида постоянен (количественная, морфологическая, характеристика хромосом). Постоянство кариотипа обеспечивается механизмами митоза и мейоза;

2. Группы сцепления генов соответствуют определенным парам хромосом;

3. Индивидуальная структура хромосом постоянна, ее мутационные изменения наследуются;

4. Гены в хромосомах располагаются линейно. В ходе мейоза происходит рекомбинация между гомологичными хромосомами.

Эти выводы были опубликованы в 1915г. в книге «Механизмы Менделевского наследования» («The mechanisms of mendelian heredity»). В 1933г. за открытие роли хромосом в наследственности Т. Морган получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Положения хромосомной теории Т.Х. Моргана могут быть дополнены основными законами поведения хромосом у эукариот:

1. В кариотипе все хромосомы, исключая половые, парные, т.е. гомологичные . Половые хромосомы, в силу того, что они отличаются морфологически, называют гемилогичными ;

2. Хромосомы каждой пары индивидуальны отличаются от других пар своими размерами и строением;

3. Хромосомы в ходе редукционного деления распределяются независимо, то есть при созревании половых клеток хромосомы разных пар распределяются в дочерние клетки независимо от других пар;

4. Закон постоянства числа хромосом : при митотических делениях сохраняется в дочерних ядрах то же число хромосом, что и в исходном ядре. При мейозе и образовании гамет число хромосом уменьшается вдвое, но после оплодотворения восстанавливается количество хромосом, характерное для данного вида.

В случае мейоза, диплоидный набор потомства состоит из пар гомологичных хромосом, имеющих одинаковые генный состав, размеры и структуру. Однако, этот набор хромосом уже смешанный, половина хромосом пришла от матери и вторая половина от отца. Дальнейшие процессы приводят к развитию зиготы в сложный многоклеточный организм. Весь процесс развития, при котором диплоидные клетки делятся и дифференцируются (образуют различные ткани и органы) представляет собой реализацию генетической и пространственной информации.

Если бы гаплоидный набор был совершенно одинаковым, то организмы несли бы идентичный набор хромосом и не отличались по этому набору от своих родителей. Тогда различия между рыбами сводилась бы исключительно к влиянию внешней среды (того водоёма), в котором они обитают. В действительности же картина более сложна.

В настоящее время выделяют три уровня организации наследственных структур у различных организмов (генный, хро­мосомный, геномный). Для понимания закономерностей наследственно­сти исследования направлены по трем направлениям:

1) изучение морфологии и химического строения хромо­сом и кариотипа в целом;

2) выделение дискретных признаков организма, контролируемых единичными генами («инвента­ризация» единиц наследственной изменчивости);

3) определение локализации генов в хромосомах (сцепление генов и кар­ты хромосом). По каждому из этих разделов накоплено много данных, их интенсивная разработка продолжается как в теоретическом, так и прикладном (клиническом) ас­пектах.

Для понимания основных свойств и поведения хромосом необходимо изучение их тонкой структуры и химической природы.

Химический состав и микроструктура хромосом .

С химической точки зрения хромосома представляет собой нитевидную двуспиральную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Химический анализ хромосом показывает, что помимо ДНК, в хромосому включаются РНК и несколько низкомолекулярных основных белков – гистонов, а также и сложный кислый белок, называемый остаточным белком.

В хромосомах присутствуют также кальций, магний, железо и некоторые микроэлементы, роль которых ещё окончательно не выяснена. Можно в хромосоме найти и различные ферменты, в том числе ДНК - полимеразу, который участвует в репликации ДНК. ДНК-полимераза активируется ионами магния и возможно ионами марганца. Комплекс ДНК - гистон является основной структурной единицей хромосомы.

Основной вопрос заключался в том, каким образом молекула ДНК, достигающая в растянутом виде значительной длины упаковывается в процессе деления в компактные структуры - хромосомы?

Первоначально изучение структуры хромосом проводилось на делящихся кле­тках в профазе, так как тонкие хромосомы начинают в этот период утолщаться, конденсиро­ваться. В ранней профазе хромосомы имеют вид тонких двойных нитей, которые получили название сестринские хроматиды . В метафазе они представлены в виде укороченных и утолщенных образований и в свето­вом микроскопе видно, что хромосомы состоят из 4 нитей, ко­торые были названы полухроматидами (хромонемами). Поэтому первоначально существовала гипотеза, по которой каждая хромосома состоит из многих нитей - хромонем (многонитчатая модель хромосомы). Согласно этой модели, общее число нитей в хромосоме - 64. Диаметр тончайшей нити составляет около 30 А. Много­нитчатая структура хромосомы представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема микроскопической, субмикроскопической и молекулярной организации хромосомы (многонитчатая модель)

Другая гипотеза, которая подтвердилась в настоящее время, предполагала, что хромосома состоит только из одной нити, которая по мере подготовки к митозу претерпевает процесс спирализации. В ходе профазы спирализация распространяется по всей хромосоме, достигая макси­мума в метафазе. Поэтому в метафазе хромосомы выглядят очень компактными.

Значительная толщина хромосомы (диаметр 1400 нм) на стадии метафазы позволяет, наконец, увидеть её в световой микроскоп. Конденсированная хромосома имеет вид буквы X (часто с неравными плечами), поскольку две хроматиды, возникшие в результате репликации, по-прежнему соединены между собой в районе центромеры (рис. 6).

Рисунок 6. Схема строения метафазной хромосомы: 1 - морфология; 2 - внутренняя структура хроматиды, видимая при использовании специальных методов ослабления спирализации.

В телофазе наступает деспирализация хромонем, и в интерфазе хромонемы оказываются максимально рас­крученными. Характер спирализации и деспирализации хромосом в митотическом цикле представляет законо­мерный процесс (цикл спирализации, рис. 7).

Рисунок 7. Схема спирализации хромонем в митотическом цикле: 1 - интерфаза, хромонемы сла­бо спирализованы (остаточные спирали); 2, 3, 4 - профаза, усиление спирализации хромонем, образование двух хроматид; 5 - прометафаза, проявление че­тырех полухроматид; 5 - метафаза, максимальная спирализация, выявляются как большая, так и малая спираль; 7 - ана­фаза; 8 - телофаза (одна из до­черних хромосом), деспирализация хромонем.

Со степенью спирализации хромосом связано их дифференциальное окрашивание по длине. При фиксации и окраске основными красителями разные участки (районы) дают разную реакцию. Одни участки интенсивно окрашиваются - их назвали гетерохроматиновыми . Гетерохроматиновые участки хромосомы называются хромомеры . Положение их в каждой хромосоме постоянно, а в разных хромосомах - различно.

Другие участки хромосом окрашиваются слабо - они названы эухроматиновыми . Эухроматиновые участки в интерфазе деспирализуются, что указывает на их более высокую метаболическую активность, т.е. глыбки хроматина в интерфазном ядре представ­ляют собой не что иное, как гетерохроматиновые участки хро­мосом.

В хромосомах гетерохроматин располагается вне области центромеры. Половые хромосомы состоят почти полностью из гетерохроматина. Гетерохроматиновые и эухроматиновые нити представляют нити диаметром 25 нм.

Белки, участвующие в спирализации хромосом – гистоны, являются основными белками, так как содержат большой процент (20-30%) положительно заряженных аминокислот – аргинина и лизина. Гистоны взаимодействуют с ДНК, которая имеет отрицательный заряд благодаря отрицательно заряженным фосфатным группам.

У всех высших растений и животных в спирализации ДНК участвует 5 белков-гистонов, имеющих обозначение Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Гистоны отсутствуют только в сперматозоидах некоторых организмов. Их функцию выполняют основные белки – протамины. Содержание гистонов в клетках соответствует их молярному соотношению: 1 Н1:2 Н2А: 2 Н2В: 2 Н3: 2 Н4.

Гистоны отличаются по молекулярной массе и аминокислотному составу. Гистон Н1 богат лизином (29%), гистоны Н2а и Н2в богаты как лизином, так и аргинином, а гистоны Н3 и Н4 богаты аргинином.

Гистоны формируют основные структурные единицы хромосом - нуклеосомы. Четыре гистона Н2А, Н2В, НЗ и Н4 образуют октамерный белковый комплекс (Н2А, Н2В, НЗ, Н4)2, который называют «нуклеосомный кор» (от англ. nucleosome core). Молекула ДНК «накручивается» на поверхность гистонового октамера, совершая 1,75 оборота (около 146 пар нуклеотидов).

Отдельные нуклеосомы связывает линкерная ДНК. В среднем линкерная ДНК составляет 60 пар (от 15 до 100) нуклеотидных остатков. Молекулы гистона H1 связываются с ДНК в межнуклеосомных участках (линкерных последовательностях) и защищают эти участки от действия нуклеаз (рис. 8).

В ядре каждой клетки присутствует около 60 млн. молекул каждого типа гистонов, а общая масса гистонов примерно равна содержанию ДНК, т.е. количество ДНК и гистонов в хроматине эквивалентно.

Рис. 8. Структура нуклеосом. Восемь молекул гистонов (Н2А, Н2В, НЗ, Н4)2 составляют ядро нуклеосомы, вокруг которого ДНК образует примерно 1,75 витка.

Аминокислотные остатки лизина, аргинина и концевые аминогруппы гистонов могут модифицироваться: ацетилироваться, фосфорилироваться, метилироваться или взаимодействовать с белком убиквитином (негистоновый белок). Модификации бывают обратимыми и необратимыми, они изменяют заряд и конформацию гистонов, а это влияет на взаимодействие гистонов между собой и с ДНК. Активность ферментов, ответственных за модификации, регулируется и зависит от стадии клеточного цикла. Модификации делают возможными конформационные перестройки хроматина.

В зависимости от степени спирализации и ее формы различают разные формы хромосом, в зависимости от степени конденсации. Одни хромосомы подвергаются циклу спирализации и деспирализации равномерно по всей длине на протяжении клеточного цикла. Другие - преимуще­ственно состоят из гетерохроматина в течение всего жизненного цикла клетки, в том числе и в интерфазе, находятся в сильно спирализованном состоянии, а потому сильнее окрашиваются. Морфологию таких хромосом можно изучать в течение всего жизненного цикла клетки, а не только в период ее деления.

Например, дифференциация хромосом по длине хорошо видна на гигантских хромосомах. Гигантские хромосомы в 100-200 раз длиннее обычных и содержат в 1000 раз больше хромонем, чем обычные метафазные хромосомы большинства соматических и половых клеток.

Впервые гигантские (политенные) хромосомы бы­ли обнаружены Е. Бальбиани в 1881 г. в слюнных железах личинок мотыля (сем. Chironomidae). В дальнейшем оказалось, что такая структура хромосом характерна для ядер ряда со­матических клеток личинок двукры­лых - клеток кишечника, мальпигиевых сосудов, слюнных желез, а также найдена у некоторых ра­стений (в антиподах и синергидах) и у простейших.

Гигантские хромосомы возникают при политении. Политения – процесс, при котором репродукция хромосом происходит без увеличения их числа в клетке. В этом случае 2 хромонемы после девяти последовательных удвоений образуют около 1000 нитей, плотно прилегающих друг к другу. Хромонемы гигантских хромосом постоянно находятся в ча­стично и неравномерно деспирализованном состоянии, что обу­словливает увеличение длины хромосом в 100-200 раз. Типич­ные гигантские хромосомы можно наблюдать в слюнных же­лезах личинок дрозофилы (род Drosophila) (рис. 9, а). Строение и морфологические особенности этих хромосом видны в клет­ках при малом увеличении даже без специальной обработки на временных тотальных препаратах, но особенно хорошо - на окрашенных ацетокармином.

Рисунок 9. Относительные размеры хромосом в ядрах клеток слюнных желез (гигантские) и в клетках ганглия (митотические) дрозофилы; Примеры политенных хромосом

Например, если в любой соматической клетке хирономуса можно сосчитать 8 хромосом, то в клетке слюнной железы их только 4, так как одинаковые по морфологии и размеру хромосомы (одна отцовская, а другая материнская) обладают способностью объединяться, конъюгировать (соматическая конъюгация), что увеличивает еще больше толщину гигантских хромосом.

Другая особенность политенных хромосом состоит в том, что хромомеры многочисленных хромонем, плотно прилегая друг к другу, создают утолщения - диски, которые при окрашивании бывают более темными. Диск представляет собой участок плотно сложенной хроматиновой нити (хромомера). В световом микроскопе они выглядят в виде лент, поперечно исчерченных из-за чередования по всей длине интенсивно окрашенных участков (дисков) и светлых (междисковых) пространств (рис. 9, б). Хромомера политенной хромосомы содержит один или более генов в неактивном состоянии.

Размер и морфология дисков сильно варьируют, но для каж­дой хромосомы они постоянны и служат прекрасными маркерами при распознавании - идентификации хромосом (рис. 10). Между дисками хорошо видна политенность хромосомы.

Рисунок № 10. Участок политенной хромосомы с дисковой стрктурой(а) и образованием пуфа (б).. Схема иллюстрирует возникновение пуфа путем деконденденсации четырех хроматиновых нитей, уложенных в хромомере (в).

Строение дисков изменяется в онтогенезе, что связано с функционированием хромосом. Так наблюдается попеременное набухание и разрыхление дисков - образование так называемых пуфов (рис. 10, б). Гигантские пуфы некоторых специфических дисков названы кольцами Бальбиани. Процесс образования пуфов представляет собой деконденсацию хроматиновых нитей, упакованных в диске (рис. 10, в) и является обратимым. В цитогенетике появление пуфов рассматривается в качестве морфологического выражения транскрипционной активности генов.

Другой моделью, на которой можно познакомиться с тон­ким строением хромосом и их функционированием, являются хромосомы типа «ламповых щеток» . Вид этих хромосом дейст­вительно напоминает ершик, которым моют стеклянные про­бирки. Отдельные участки этих хромосом сильно вытянуты и образуют симметричные петли, перпендикулярные оси хромосомы (рис. 11). Такое состояние хро­мосом встречается в ооцитах рыб, амфи­бий, рептилий и птиц .

Рисунок 11. Схема строения от­дельной петли, хромо­сомы типа «ламповых щеток».

В отличие от гигантских хромосом «лам­повые щетки» не являются политенными, а содержат сильно деспирализованные хромонемы. Предполагают, что большая сте­пень деспирализации связана с повы­шением метаболической активности хро­мосом в процессе роста ооцитов.

Тонкий электронномикроскопический анализ показал, что каждая хромонема по оси образует серию хромомер, из которых и выходят боковые петли - деспирализо­ванные хромонемы, толщина их в самых тонких участках оказывается равной 100-200 А.

Характеристика кариотипов

Каждому виду организмов свойствен определенный кариотип. Кариотипы организмов могут содержать от 2-х хромосом у малярийного плазмодия до 1000 - у радиолярий. Примеры кариотипов приведены на рисунке 4.

Рисунок 4. Кариотипы разных видов растений и животных, изо­браженные в одном масштабе: 1 - диатомовая водоросль (Сосconcis placenttila); 2 - муха (Drosophila melanogaster); 3 - сложноцветное (Crepis capillaris); 4 - саранчовое (Gomphocerus rufus); 5 - жук (Gerris lateralis).

При изучении кариотипа парные (гомологичные) хромосомы располагают рядом. Примеры диплоидного числа хромосом у некото­рых животных и растений приведены в таблице 1-2.

Таблица 1. Животные

Таблица 2. Растения

Если сравнивать число и размер хромосом у человека и у других видов организмов, то можно увидеть огромные отличия. Например, у коровы, размер генома которой примерно равен геному человека, имеется 60 пар хромосом. У шпорцевой лягушки содержится всего 18 хромосом, но даже самые маленькие из них больше, чем самые крупные хромосомы человека. У птиц, наоборот, число хромосом достигает 40 и более и все они очень небольшие по размерам. Таким образом, количество хромосом в кариотипе не связано с уровнем ор­ганизации животных и растений: примитивные формы могут иметь большее число хромосом, чем высокоорганизованные, и наоборот. Сравниваются кариотипы не только по числу хромосом, но и по массе ДНК. Применяемая единица измерения – пикограмм. 1 пг = 10 -12 г.

Считается, число и морфология хромосом в отдельных случаях могут служить показателем филогенетического родства видов . На этом принципе строится кариосистематика.

Хотя, сходство кариотипа указывает на родственные связи организмов, о днако, и в пределах вида генетический материал претерпевает изменения (например, перекомбинации при мейозе), поэтому потомство отличается от родителей, хотя и несёт только генетические особенности, заложенные в хромосомах родителей.

Разнообразие кариотипов связано также с тем, что у некоторых организмов имеются добавочные к диплоидному набору хромосомы. Так, у ряда животных помимо крупных хромосом обнаружены очень мелкие «точечные» хромосомы. В отличие от хромосом нормального диплоидного набора, которые принято называть А-хромосомы, добавочные хромосомы назвали В-хромосомы . В-хромосомы часто называют необязательны­ми, и долгое время данный тип хромосом оставался загадкой. В настоящее время В-хромосомы обнаружены у 80 видов животных и 256 видов растений (кукуруза, рожь, пресноводные тубеллярии, некоторые насекомые).

Впервые, В-хромосомы были обнаружены Эрнестом Вильсоном в 1905 г. у клопа Matepodius terminalis.

Свойства В-хромосом:

1. По размерам меньше хромосом основного набора;

2. Более интенсивно окрашиваются, т.к. имеют больше хроматина;

3. Присутствие не обязательно; наличие (отсутствие) в кариотипе не сказывается на фенотипе (однако их накопление в количестве больше 10, может вызывать депрессию роста, снижение плодовитости, различные аномалии в свойствах и признаках);

4. Не гомологичны А-хромосомам, в анафазе мейоза часто не наблюдается их равномерного распределения, поэтому в дочерние клетки может попасть неравномерное их число, что вызывает изменчивость кариотипа по числу В-хромосом (у кукурузы Zea mays их количество в клетке может варьировать от 1 до 34.);

5. В-хромосомы не содержат никакого генетического материала, т.е. не имеют экспрессирующихся генов с существенными для жизни организма функциями;

6. Для некоторых видов растений характерно явление сома­тической элиминации, т.е. В-хромосомы, например у растений, могут неизменно обнаруживаться в микроспороцитах, но не в клетках корня;

7. Обладают способностью к увеличению своего количества в последующих поколениях при половом размножении;

8. Как правило, В-хромосомы встречаются у малохромосомных видов.

Другая разновидность хромосом обнаруживается в кариотипе самок высших животных, они получили название тельца Барра. Тельца Барра – это половой, или Х-хроматин (вторая, неактивная половая хромосома). Величина телец Барра около 1 мкм. Они прокрашиваются всеми основными ядерными красителями более интенсивно, чем остальные хроматиновые структуры ядра. Тельца Барра наблюдаются в интерфазных ядрах соматических клеток самок плацентарных, включая человека.

Локализация Х-хроматина в ядре различна. В большинстве тканей он находится на внутренней поверхности ядерной оболочки и может иметь треугольную, плоско-выпуклую, трапециевидную, U-образную или гантелевидную форму. В веретеновидных и палочковидных ядрах Х-хроматин располагается на одном из полюсов ядра. Реже Х-хроматин располагается на ядрышке или в нуклеоплазме, при этой локализации он обладает сферической формой и трудно отличим от других хромоцентров, имеющих такой же размер, но неспецифических для пола.