Гаметогенез как процесс образования половых клеток. Отличия овогенеза и сперматогенеза

Гаметогенез — это процесс образования половых клеток. Протекает он в половых железах — гонадах (в яичниках у самок и в семенниках у самцов). Гаметогенез в организме женской особи сводится к образованию женских половых клеток (яйцеклеток) и носит название овогенеза. У особей мужского пола возникают мужские половые клетки (сперматозоиды), процесс образования которых называется сперматогенезом. Гаметогенез — это последовательный процесс, которых складывается из нескольких стадий — размножения, роста, созревания клеток. В процесс сперматогенеза включается также стадия формирования, которой нет при овогенезе.

1. Стадия размножения. Клетки, из которых в последующем образуются мужские и женские гаметы, называются сперматогониями и овогониями соответственно. Они несут диплоидный набор хромосом 2n2c. На этой стадии первичные половые клетки многократно делятся митозом, в результате чего их количество существенно возрастает. Сперматогонии размножаются в течение всего репродуктивного периода в мужском организме. Размножение овогоний происходит главным образом в эмбриональном периоде. У человека в яичниках женского организма процесс размножения овогоний наиболее интенсивно протекает между 2 и 5 месяцами внутриутробного развития.

К концу 7 месяца большая часть овоцитов переходит в профазу I мейоза.

Если в одинарном гаплоидном наборе количество хромосом обозначить как n, а количество ДНК — как c, то генетическая формула клеток в стадии размножения соответствует 2n2c до синтетического периода митоза (когда происходит репликация ДНК) и 2n4c после него.

2. Стадия роста. Kлетки увеличиваются в размерах и превращаются в сперматоциты и овоциты I порядка (последние достигают особенно больших размеров в связи с накоплением питательных веществ в виде желтка и белковых гранул). Эта стадия соответствует интерфазе I мейоза. Важное событие этого периода — репликация молекул ДНК при неизменном количестве хромосом. Они приобретают двунитчатую структуру: генетическая формула клеток в этот период выглядит как 2n4c.

3. Стадия созревания. Происходят два последовательных деления — редукционное (мейоз I) и эквационное (мейоз II), которые вместе составляют мейоз. После первого деления (мейоза I) образуются сперматоциты и овоциты II порядка (с генетической формулой n2c), после второго деления (мейоза II) — сперматиды и зрелые яйцеклетки (с формулой nc) с тремя редукционными тельцами, которые погибают и в процессе размножения не участвуют. Так сохраняется максимальное количество желтка в яйцеклетках. Таким образом, в результате стадии созревания один сперматоцит I порядка (с формулой 2n4c) дает четыре сперматиды (с формулой nc), а один овоцит I порядка (с формулой 2n4c) образует одну зрелую яйцеклетку (с формулой nc) и три редукционных тельца. Отмеченные выше различия в ходе овогенеза и сперматогенеза имеют определенный биологический смысл, связанный с разным функциональным назначением мужских и женских гамет (помимо переноса генетической информации). Накопление в цитоплазме яйцеклетки большого количества запасных питательных веществ необходимо, так как на этой «базе» осуществляется развитие дочернего организма из оплодотворенного яйца. Неравномерное клеточное деление при овогенезе и обеспечивает формирование крупной яйцеклетки. Функция же сперматозоидов заключается в отыскании яйцеклетки, проникновении в нее и доставке своего хромосомного набора. Их существование кратковременно, а поэтому нет необходимости в запасании большого количества веществ в цитоплазме. А поскольку сперматозоиды в массе гибнут в процессе поиска яйцеклетки, их образуется огромное количество.

Центральное событие в процессе гаметогенеза — редукция диплоидного набора хромосом (в ходе мейоза) и формирование гаплоидных гамет.

4. Стадия формирования, или спермиогенеза (только при сперматогенезе). В результате этого процесса каждая незрелая сперматида превращается в зрелый сперматозоид (с формулой nc), приобретая все структуры, ему свойственные. Ядро сперматиды уплотняется, происходит сверхспирализация хромосом, которые становятся функционально инертными. Комплекс Гольджи перемещается к одному из полюсов ядра, формируя акросому. К другому полюсу ядра устремляются центриоли, причем одна из них принимает участие в формировании жгутика. Вокруг жгутика спирально закручивается одна митохондрия. Почти вся цитоплазма сперматиды отторгается, поэтому головка сперматозоида ее почти не содержит.

7.Размножение – одно из фундаментальных свойств живого. Способы и формы размножения организмов. Размножение – это одно из фундаментальных свойств живого в основе которого лежит деление и рост клеток. В зависимости от характера клеточного материала, используемого в целях размножения, выделяют различные способы и формы. Различают два способа размножения: бесполое и половое. Деление надвое приводит к возникновению из одного родительского организма двух дочерних. Оно является преобладающей формой у прокариот и простейших, но встречается и у многоклеточных: продольное у медуз, поперечное у кольчатых червей. Множественное деление (шизогония) встречается среди простейших, в том числе паразитов человека (малярийный плазмодий). При размножении почкованием потомок формируется первоначально как вырост на теле родителя с последующей его отшнуровкой (гидра). Фрагментация заключается в распаде тела многоклеточного организма на части, которые далее превращаются в самостоятельных особей (плоские черви, иглокожие). У видов, размножающихся спорами, дочерний организм развивается из специализированной клетки-споры. В зависимости от формы бесполого размножения потомок развивается либо из одной клетки (спорообразование, шизогония, деление), либо из группы клеток родителя. В последнем случае размножение называют вегетативным. Оно распространено среди растений. Половое размножение осуществляется при участии двух родительских особей (мужской и женской), у которых в особых органах образуются специализированные клетки — гаметы. Процесс формирования гамет называется гаметогенезом, основным этапом гаметогенеза является мейоз. Дочернее поколение развивается из зиготы — клетки, образовавшейся в результате слияния мужской и женской гамет. Процесс слияния мужской и женской гамет называется оплодотворением. Обязательным следствием полового размножения является перекомбинация генетического материала у дочернего поколения.

В зависимости от особенностей строения гамет, можно выделить следующие формы полового размножения: изогамию, гетерогамию и овогамию. Изогамия — форма полового размножения, при которой гаметы (условно женские и условно мужские) являются подвижными и имеют одинаковые морфологию и размеры. Гетерогамия — форма полового размножения, при которой женские и мужские гаметы являются подвижными, но женские — крупнее мужских и менее подвижны. Овогамия — форма полового размножения, при которой женские гаметы неподвижные и более крупные, чем мужские гаметы. В этом случае женские гаметы называются яйцеклетками, мужские гаметы, если имеют жгутики, — сперматозоидами, если не имеют, — спермиями.

8.Партеногенез. Формы и распространенность в природе. Половой диморфизм. Партеногенез — развитие без оплодотворения. В случае естественного партеногенеза развитие идет на основе цитоплазмы и пронуклеуса яйцеклетки. Особи, формирующиеся из яйцеклетки, имеют либо гаплоидный, либо диплоидный набор хромосом, так как чаще всего в начале дробления срабатывает один из механизмов удвоения числа хромосом. Естественный партеногенез чаще всего случается при незавершенном оплодотворении, т. е. в тех случаях, когда имела место активация яйцеклетки, но ядро сперматозоида не участвовало в оплодотворении. В активированных яйцах используется информация только женского пронуклеуса. Такой вид партеногенеза называют гиногенезом. При искусственном партеногенезе можно удалить женский пронуклеус, и тогда развитие осуществляется только за счет мужских пронуклеусов. Это андрогенез. Потомки наследуют либо только признаки матери при гиногенезе, либо только признаки отца — при андрогенезе. Это указывает на то, что наследственные свойства особи определяются в основном ядром, а не цитоплазмой. Естественный партеногенез явление редкое, и как правило не является единственным способом размножения вида. У пчел, например, он используется как механизм генотипического определения пола: женские особи (рабочие пчелы и царицы) развиваются из оплодотворенных яйцеклеток, а мужские (трутни) — партеногенетически. Половой диморфизм — это подразделение гамет на яйцеклетки и сперматозоиды, а особей на самок и самцов. Наличие его в природе отражает различия в задачах, решаемых в процессе полового размножения мужской или женской гаметой, самцом или самкой.

9.Предмет, задачи и методы генетики. Этапы развития генетики. Роль отечественных ученых (Н.И. Вавилов, Н.К. Кольцов, А.С. Серебровский, С.С. Четвериков, С.Н. Давиденков, Н.И. Тимофеев-Ресовский и др.) в развитии генетики. Отъемлемыми свойствами всех живых организмов являются наследственность и изменчивость.

Наследственность - универсальное свойство живого обеспечивать структурную и функциональную преемственность между поколениями. Изменчивость - это универсальное свойство живых организмов существовать в различных формах (вариантах). Вследствие последней дочерние организмы не бывают точными копиями родительских особей. Наследственность и изменчивость живых организмов, их биологические механизмы, а также методы управления ими составляют предмет изучения генетики как науки. В истории генетики выделяют 3 этапа: изучение наследственности и изменчивости на организменном, клеточном и молекулярном уровнях.

Самым продолжительным являлся первый (организменный) этап, завершившийся открытием закономерностей наследования на организменном уровне (Г. Мендель). Первые наблюдения за наследственностью, включающие составление родословных, проводились уже около 6000 лет тому назад (Двуречье). Составлялись родословные животных (лошадей). В Талмуде (IV - V век до н.э.) отражены результаты наблюдений за наследованием патологических признаков у людей (гемофилия у мужчин).

Первым научным обобщением в истории науки о наследственности и изменчивости стала ядерная теория наследственности, сформулированная В. Ру, О. Гертвигом, Э. Страсбургером (1883-1884), а также А. Вейсманом (1885). Её развитием в начале XX века стала хромосомная теория наследственности (У. Сеттон; Т. Бовери; Т. Морган и его школа). Обе теории были разработаны на втором (клеточном) этапе развития генетики. Однако закономерности наследственности были открыты впервые ещё Грегором (Яном) Менделем (1822-1884). Ян Мендель поступил в Венский университет, но не окончил его из-за неудовлетворительных оценок. Возвратившись из Вены в г. Брно (Чехия), Ян Мендель ушёл в монастырь, приняв монашеское имя Грегор. Одновременно он преподавал естественные науки в реальном училище г. Брно и в то же время на маленьком монстырском огороде проводил из года в год эксперименты с горохом, результаты которых легли в основу всей современной генетики. В 1865 году на заседании общества любителей естествознания в г. Брно Г. Мендель предстает результаты своих исследований. К сожалению и доклад и ставшая«Опыты над растительными гибридами» (1866) не привлекли внимания современников. Лишь в 1900 году те же закономерности вновь открыли независимо друг от друга X. де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Австрии, в связи с чем 1900 год считается многими учёными годом рождения генетики как науки. Термин «генетика» предложил в 1900 году У. Бэтсон. Доказательства локализации генов в хромосомах и расположения в них в линейном порядке привёл американский генетик Г. Морган (1866-1945), сформулировавший хромосомную теорию наследственности и заложивший основы теории гена. Последняя получила развитие в трудах школы А.С. Серебровского (1929-1931), разработавшего представления о сложной структуре гена. Н.И. Кольцов (1872-1940) полагал, что носителями генов являются биологические макромолекулы, способные к самовоспроизводству, возможно молекулы белка. Фундаментальный вклад в изучение генетики популяций внёс С.С. Четвериков (1926). Переломным моментом в развитии генетики стали открытие в* 1953 году структуры ДНК (Дж. Уотсон, Ф. Крик), расшифровка генетического кода, а также выяснение того факта, что гены кодируют структуру ферментов, направляющих клеточный метаболизм (Г. Бидл, Е. Татум). Результатом этих открытий на третьем (молекулярном) этапе развития генетики стало завершение формирования генной теории наследования и превращение генетики в одну из самых перспективных бурно развивающихся биологических наук. Основной задачей генетики является изучение закономерностей наследственности и изменчивости живых организмов и разработка методов управления ими. Последнее (разработка методов целенаправленного влияния на наследственность и изменчивость) особенно важно для селекции, улучшения и создания новых пород домашних животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов, используемых в фармацевтической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Соответственно объекту исследования выделились самостоятельные разделы генетики: генетика растений, генетика микроорганизмов, генетика животных, генетика человека (медицинская генетика). Задача последней - изучение наследственных патологий человека и разработка мероприятий по предупреждению проявления наследственных болезней, пороков развития и злокачественных новообразований. Современная генетика использует самые разнообразные методы исследований: биохимический, популяционный, селекционный (гибридологический), цитогенетический, молекулярно-генетический, методы генетической инженерии. В зависимости от основных используемых методов генетика дифференцировалась на ряд разделов: биохимическую генетику, молекулярную генетику, экологическую генетику, иммуногенетику, радиационную генетику и др.

Во второй половине XIX века английский биолог Фрэнсис Гальтон выделил наследственность человека как самостоятельный предмет исследования. Он же предложил ряд методов, используемых в генетике человека и в настоящее время: генеалогический, близнецовый, статистический. В рамках генетики человека сформировались медицинская генетика как её частный раздел. В 1869 году Ф. Гальтон впервые сформулировал принципы евгеники - учения о наследственном здоровье человека и путях его улучшения. Он предложил изучать влияния, которые могут улучшить наследственные качества будущих поколений - здоровье, умственные способности5 одарённость. Прогрессивные учёные (Ф. Гальтон, Г. Мёллер, Н.К. Кольцов, Ю.А. Филипченко) ставили перед евгеникой гуманные цели. Однако попытка реализовать на практике недостаточно разработанные научные идеи успеха не имела. Законы об ограничении браков, деторождения, о проведении принудительной стерилизации, принимавшиеся в США, просуществовали из-за бурных протестов лишь 1-2 года. Это, а также попытки использовать идеи евгеники для оправдания расизма (например, фашистская расовая теория) дискредитировали евгенику как научную дисциплину, а также сам термин «евгеника». Однако интерес к евгенике способствовал разработке вопросов антропогенетики и медицинской В современной науке проблемы евгеники, особенно борьба с наследственными заболеваниями, решаются в рамках генетики человека, в том числе медицинской генетики. Современная медицина ориентируется на профилактику наследственных болезней путём медико-генетического консультирования, широкой медико-просветительской работы. При этом учитывается влияние среды, в которой происходит развитие человека, на проявление положительных и отрицательных наследственных свойств. Ещё Н.К. Кольцов (1929) выделил в прикладной генетике человека евфенику -науку о благоприятном проявлении наследственных задатков. Важное значение для разработки генетических основ селекции имели работы выдающегося российского биолога XX века НИ. Вавилова (1887-1943). Сформулированный им в 1920 году закон гомологических рядов в наследственной изменчивости позволил ему в дальнейшем установить центры происхождения культурных растений, в которых сосредоточено наибольшее разнообразие наследственных форм. Весомый вклад в установление генетической природы некоторых наследственных заболеваний человека и разработку методики медико-генетического консультирования населения внёс С.Н. Давиденков (1880-1961). Н. Тимофе́ев-Ресо́вский - Основные направления исследований: радиационная генетика, популяционная генетика, проблемы микроэволюции.

10.Наследственность и изменчивость – свойства, определяющие непрерывность существования и развития живого. Уровни организации наследственного материала. Особенности строения и функционирования генетического аппарата прокариот и эукариот. Наследственность — способность организмов передавать свои признаки и особенности развития потомству .Изменчивость — разнообразие признаков среди представителей данного вида, также свойство потомков отличаться от родительских форм.

Несмотря на то, что по своим результатам наследственность и изменчивость разнонаправлены, в живой природе эти два фундаментальных свойства образуют неразрывное единство, чем достигается одновременно сохранение в процессе эволюции имеющихся биологически целесообразных качеств и возникновение новых, делающих возможным существование жизни в разнообразных условиях. Можно выделить три уровня организации: генный, хромосомный и геномный.

Наследственный материал любой клетки (организма) дискретен, т. е. представлен отдельными функциональными единицами — г е н а м и. Каждый ген отвечает за развитие отдельного признака. Число генов, заключенных в наследственном материале, велико. Закономерность передачи всего генетического материала из поколения в поколение достигается благодаря тому, что отдельные гены существуют не разрозненно, а собраны в хромосомы, с которыми происходят строго определенные превращения в процессе размножения клеток и организмов. Поддержание постоянной структуры хромосом в ряду поколений свидетельствует о большом значении этого уровня организации материала наследственности. Хромосомный уровень организации наследственного материала присущ всем эукариотическим организмам. У прокариот основная масса генов сосредоточена в единственной кольцевидной хромосоме, которая по своему внутреннему строению отличается от хромосом эукариот.

Все хромосомы клетки (организма) объединены в набор — кариотип, поддержание постоянства которого обеспечивается митозом для клеток и мейозом с последующим оплодотворением для организмов, размножающихся половым путем. При половом размножении каждый родитель передает новому поколению в своих гаметах полный одинарный набор всех генов — геном. Объединение геномов родительских гамет при оплодотворении создает геномный уровень организации наследственного материала, который соответствует геотипу организма (клетки). Генетический материал прокариотных организмов, как и эукариотных, представлен ДНК, но имеются существенные различия в его структурной организации. У прокариот ДНК представляет собой более или менее компактное образование, занимающее определенную область в цитоплазме и не отделенное от нее мембраной, как это имеет место у эукариот.

Чтобы подчеркнуть структурные различия в генетическом аппарате прокариотных и эукариотных клеток, предложено у первых его называть нуклеоидом в отличие от ядра у вторых. При электронно-микроскопическом наблюдении видно, что нуклеоид прокариот, несмотря на отсутствие ядерной мембраны, довольно четко отграничен от цитоплазмы, занимает в ней, как правило, центральную область и заполнен нитями ДНК диаметром около 2 нм. Не исключено, что на выявляемую в электронном микроскопе организацию прокариотной хромосомы большое влияние оказывают условия фиксации препарата. По имеющимся наблюдениям, в живой клетке нуклеоид занимает больше места в цитоплазме. Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму ковалентно замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы. (В прокариотной клетке ДНК может находиться и вне бактериальной хромосомы - в плазмидах, но последние не являются обязательными клеточными компонентами). Длина молекулы ДНК в развернутом виде может составлять более 1 мм, т.е. почти в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки. Длительное время считали, что в распределении нитей ДНК бактериальной хромосомы не прослеживается никакой закономерности. Однако если исходить из того, что молекула ДНК образует беспорядочный клубок, трудно объяснить процесс репликации и последующее распределение образовавшихся хромосом по дочерним клеткам. Специальные исследования показали, что хромосомы прокариот представляют собой высокоупорядоченную структуру, имеющую константу седиментации 1300-2000S для свободной и 3200-7000S для связанной с мембраной формы. В том и другом случае часть ДНК в этой структуре представлена системой из 20-100 независимо суперспирализованных петель. В обеспечении суперспирализованной организации хромосом участвуют молекулы РНК. Хромосомы большинства прокариот имеют молекулярную массу в пределах величины (1-3), умноженной на 10 в степени 9 Да. В группе микоплазм генетический материал представлен молекулами, имеющими наименьшее для клеточных организмов количество ДНК: (0,4-0,8), умноженное на 10 в степени 9, а наибольшее содержание ДНК обнаружено у нитчатых цианобактерий (8,5, умноженное на 10 в степени 9). Хотя каждая прокариотная клетка содержит 1 хромосому, часто в экспоненциально растущей культуре количество ДНК на клетку может достигать массы 3, 4, 8 и более хромосом. Нередко в клетках при действии на них определенных факторов (температуры, рН среды, ионизирующего излучения, солей тяжелых металлов, некоторых антибиотиков и др.) происходит образование множества копий хромосомы. При устранении воздействия этих факторов, а также после перехода в стационарную фазу в клетках, как правило, обнаруживается по одной копии хромосомы. Следовательно, термины "нуклеоид" и "хромосома" не всегда совпадают. В зависимости от условий нуклеоид прокариотной клетки может состоять из одной или некоторого числа копий хромосомы.

11.Химическая организация генетического материала. Структура и свойства ДНК. Химическая организация гена. Исследования, направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярной массой. Это полимеры, состоящие из мономеров — нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин или пиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1' присоединяется

азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атому углерода С-5' с помощью эфирной связи — фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа —ОН. Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь. В результате образуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекул

фосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1' присоединено одно из перечисленных выше азотистых оснований. обозначения компонентов нуклеотида, использованные в этом рисунке, сохраняются во всех последующих схемах нуклеиновых кислот Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии фермента полимеразы, который обеспечивает присоединение фосфатной группы следующего67

нуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3', предыдущего нуклеотида. Благодаря отмеченной специфике действия названного фермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце: там, где находится свободный гидроксил в положении 3'. Начало цепи всегда несет

фосфатную группу в положении 5'. Это позволяет выделить в ней 5' и 3 '-концы. Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала — хромосом — обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар — дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований — пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин). Особенностью структурной организации ДНК является то, что ее молекулы включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. В соответствии с трехмерной моделью ДНК, предложенной в 1953 г. американским биофизиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении. Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот.

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага — 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными — при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Большинство молекул ДНК в

растворе находится в правозакрученной — В-форме (В-ДНК). Однако встречаются также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено. Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру —полинуклеотидную цепь, вторичную структуру—две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру — трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками

Cв-ва ДНК: 1. триплетен (одна аминокислота кодируется тремя рядом стоящими нуклеотидами); 2. специфичен (один и тот даже триплет кодирует только одну определенную аминокислоту). 3. универсален (он применим для всех живых организмов); 4. вырожден (то есть одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими различными триплетами); 5. однонаправлен (считка информации происходит только в одном направлении); 6. не перекрываем (то есть каждый нуклеотид входит в состав только одного триплета и занимает в нем строго определенное место).

12.Структура и виды РНК. Функции РНК. РНК — рибонуклеиновая кислота, имеет много общего со структурой ДНК, но отличается от нее рядом признаков:

1. углеводом РНК, к которому присоединяются пуриновые или пиримидиновые основания и фосфатные группы, является рибоза;

2. в состав РНК, как и в состав ДНК, входят азотистые основания аденин, гуанин и цитозин. Но РНК не содержит тимина, его место в молекуле РНК занимает урацил;

3. РНК — одноцепочечная молекула;

4. так как молекула РНК одноцепочечная, то правило Чаргаффа, установленное для ДНК, может не выполняться по равенству содержания оснований.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), присутствующие в клетках как протак и эукариот, бывают трех основных видов: матричные РНК (мРНК), рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК).

Матричные РНК (информационная РНК, мессенджер-РНК) выполняют функцию матриц белкового синтеза. В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого типа гетерогенная ядерная РНК(гяРНК), которая является точной копией (транскриптом) соответствующей ДНК. Процесс транскрипции осуществляется в ядре на ДНК, гяРНК после созревания будет служить матрицей для синтеза белка в цитоплазме. Молекулы тРНК узнают в цитоплазме соответствующий триплет (кодон в мРНК) и переносят нужную аминокислоту к растущей полипептидной цепи. Узнавание кодона в мРНК осуществляется с помощью трех последовательных оснований в тРНК, называемыхантикодонами. Аминокислотный остаток может присоединятся к 3 — концу молекулы тРНК. Считают, что для каждой аминокислоты имеется, по крайней мере, одна тРНК. Молекула тРНК содержит около 75 нуклеотидов, ковалентно связанных друг с другом в линейную цепочку. Иногда эту структуру называют «клеверным листом», конфигурация которого возникает благодаря нескольким внутрицепочечным комплементарным участкам. Молекулы всех видов тРНК имеют 4 основных плеча. Акцепторное плечо заканчивается последовательностью ЦЦА (5—3Через 3' происходит связывание с карбоксильной группой аминокислоты. Остальные плечи тоже состоят из стеблей, образованных комплементарными ларами оснований и петель из неспаренных оснований. Антикодоновое плечо узнает нуклеотидный триплет (кодон). Рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Для эукариот рибосома состоит из большой субъединицы с молекулярной массой 2,8 х10б (60S) и малой, имеющей молекулярную массу 1,4x1 О6 (40S), где S (Сведберг)— единица измерения коэффициента седиментации (мера массы макромолекулы). Эти субчастицы могут диссоциировать на белок и рРНК. Весовое соотношение рРНК: белок для эукариот составляет 1:1. Все субчастицы рибосом состоят из рРНК, которые синтезируются в структуре ядрышек. В цитоплазме рибосомы упаковываются с рибосомными белками, приобретая достаточную устойчивость, и способны осуществлять большое число циклов трансляции.

13.Генетический код как способ записи наследственной информации. Свойства генетического кода. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД - способ записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности образующих эти кислоты нуклеотидов. Определённой последовательности нуклеотидов в ДНК и РНК соответствует определённая последовательность аминокислот в полипептидных цепях белков. Код принято записывать с помощью заглавных букв русского или латинского алфавита. Каждый нуклеотид обозначается буквой, с которой начинается название входящего в состав его молекулы азотистого основания: А (А) – аденин, Г (G) – гуанин, Ц (С) – цитозин, Т (Т) – тимин; в РНК вместо тимина урацил – У (U). Каждую аминокислоту кодирует комбинация из трёх нуклеотидов – триплет, или кодон.

Cвойства генетического кода:

1. Код триплетен. В состав РНК входят 4 нуклеотида: А, Г, Ц, У. Природа создала трехбуквенный, или триплетный, код. Это означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью трех нуклеотидов, называемых триплетом или кодоном. 2. Код вырожден. Это означает, что каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном (от двух до шести). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан.

3. Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту. 4. Между генами имеются "знаки препинания". 5. Код универсален. Генетический код един для всех живущих на Земле существ

14.Ген как функциональная единица наследственности. Свойства генов. Особенности организации генов про- и эукариот. Единица наследственной информации получила название гена. Поскольку все свойства организма так или иначе определяются белками, то ген соответствует последовательности нуклеотидов, на базе которой синтезируется одна молекула белка. Ген неделим в функциональном отношении, т.е. все мутации одного гена изменяют один и тот же наследственный признак.

Таким образом, достаточно протяженная молекула нуклеиновой кислоты, входящая в состав хромосомы, состоит из множества генов. Наследственные задатки, расположенные в пределах одной хромосомы, передаются потомкам более-менее сцеплено. Нарушения сцепления связаны с тем, что в процессе мейоза (редукционного деления) гомологичные хромосомы могут переплетаться и обмениваться участками (такой обмен носит название кроссинговера). Чем ближе в хромосоме располагаются гены, тем меньше вероятность обмена, поэтому сила сцепления позволяет оценить расстояние между генами и составить карту хромосомы.

Свойства гена: 1.дискретность — несмешиваемость генов; 2.стабильность — способность сохранять структуру; 3.лабильность — способность многократно мутировать; 4.множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм; 5.аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена; 6. специфичность — каждый ген кодирует свой признак; 7. плейотропия — множественный эффект гена; 8.экспрессивность — степень выраженности гена в признаке; 9.пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе; 10.амплификация — увеличение количества копий гена.

Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами. У кишечной палочки он представлен кольцевой молекулой ДНК длиной около 1 мм, которая содержит 4·106 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. Основная масса ДНК прокариот (около 95%) активно транскрибируется в каждый данный момент времени. Как было сказано выше, геном прокариотической клетки организован в виде нуклеоида — комплекса ДНК с негистоновыми белками. У эукариот объем наследственного материала значительно больше. У человека общая длина ДНК в диплоидном хромосомном наборе клеток — около 174 см. Его геном включает по последним данным 30—40 тыс. генов. В отличие от прокариот в эукариотических клетках одновременно активно транскрибируется от 1 до 10% ДНК. Состав транскрибируемых последовательностей и их количество зависят от типа клетки и стадии онтогенеза. Значительная часть нуклеотидных последовательностей у эукариот не транскрибируется вообще — молчащая ДНК. Большой объем наследственного материала эукариот объясняется существованием в нем помимо уникальных также умеренно и высоко повторяющихся последовательностей.

15.Функциональная классификация генов (структурные, регуляторы, модуляторы). Гены общеклеточных функций («домашнего хозяйства») и гены специфических функций («роскоши»). Конститутивные и регулируемые гены. Способы регуляции экспрессии генов. Гены: 1)репрессированные -часть генома которая не транскрибируется; 2)дерепрессированные - около 10% они активно транскрибируются: а)структурные -содержат информацию о структуре Днк: -конститутивные активируются путем присоединения Рнк-полимеразы к промотору, другим влияниям не подвержены гены»домашнего хозяйства»-содержат информацию о белках клетки-гистоны, гены Днк и Рнк-полимеразы, гены рибосом, гены т-Рнк -регулируемые активируются под влиянием различных генетических и негенетических факторов гены «роскоши» -гены гормонов и ферементов и индивид.белкии б) Функциональные -управляют работой структурных генов:

-модуляторы -изменяют скорость транскрипции структурных генов

Биорегуляторы -регуляторы и операторы-включают свет выключают ранскрипцию. Важнейшим фактором регуляции генной активности являются элементы генома, отвечающие за синтез регуляторных белков ,— гены-регуляторы. Соединяясь с определенными нуклеотидными последовательностями ДНК, предшествующими структурной части регулируемого гена,—операторами, белки- регуляторы способствуют или препятствуют соединению РНК-полимеразы с промотором. Если белок-регулятор взаимодействует с оператором, занимающим часть промотора или расположенным между ним и структурной частью гена, то это не дает возможности РНК-полимеразе соединиться с промоторной последовательностью и осуществить транскрипцию. Такой белок называют репрессором, и в этом случае осуществляется негативный контроль экспрессии гена со стороны гена-регулятора (рис. 3.85). Если промотор обладает слабой способностью соединяться с РНК-полимеразой, а ему предшествует область, узнаваемая белком-регулятором, присоединение последнего непосредственно перед промотором к молекуле ДНК облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором, вслед за чем следует транскрипция. Такие белки называют активаторами (или

апоиндукторами), а контроль экспрессии гена со стороны гена-регулятора — позитивным. Наряду с генетическими факторами в регуляции экспрессии генов на стадии транскрипции принимают участие негенетические факторы — эффекторы. К ним относят вещества небелковой природы, взаимодействующие с белками- регуляторами и изменяющие их способность соединяться с нуклеотидными последовательностями операторов. В зависимости от результатов такого взаимодействия среди эффекторов различают индукторы, запускающие транскрипцию, и корепрессоры, препятствующие ей. Индукторы могут инактивировать белки-репрессоры, которые перестают соединяться с операторами, или повышать способность белков-активаторов (апоиндукторов) к связыванию с ними, что облегчает соединение РНК-полимеразы с промотором. В результате такого воздействия на регуляторные белки регулируемые

гены активно транскрибируются. Корепрессоры могут модифицировать апоиндукторы, теряющие при этом

способность соединяться с операторами, или активировать репрессоры, находящиеся в неактивном состоянии. Следствием такого взаимодействия эффектора с белками-регуляторами является невозможность соединения РНК- полимеразы с промотором и отсутствие транскрипции

16.Этапы реализации наследственной информации: транскрипция, процессинг, трансляция, посттрансляционные процессы. Особенности экспрессии генов у про- и эукариот. 1. Транскрипция - осуществляется с помощью РНК-полимераз. РНК-полимераза 1 синтезирует пре-рРНК. РНК-полимераза П синтезирует пре-иРНК. РНК-полимераза III - пре-тРНК. Раньше считали, что транскрипция происходит по 1 из 2-х расплетаемых нитей ДНК. Сейчас установлено, что транскрипция идет по обеим нитям в 2-х направлениях. Одна нить ДНК несет наследственную информацию (смысловая), другая, комплементарная ей - антисмысловая. В клетке антисмысловая иРНК играет роль в управлении дифференцировкой и иногда - в регуляции синтеза белка. Если образуется комплекс (дуплекс иРНК + антисмысловая иРНК), тогда невозможен перенос иРНК из ядра в цитоплазму, следовательно, нет трансляции на рибосомах. В участке ДНК, соответствующем отдельному гену перед структурной частью, в которой зашифрована последовательность аминокислот в пептиде, обязательно располагается последовательность нуклеотидов, узнаваемая РНК-полимеразой. Такая последовательность называется промотором. РНК-полимераза находит промотор, взаимодействует с ним и после этого, двигаясь вдоль молекулы ДНК, обеспечивает постепенную сборку молекулы иРНК в соответствии с принципом комплементарности и антипараллельности. В конце структурной части гена расположен участок с особой последовательностью нуклеотидов - терминатор. Он обязательно включает один из нонсенс-триплетов, не кодирующих аминокислоты. В результате транскрипции синтезируется молекула преинформационной РНК 2. Посттранскрипционные процессы (процессинг). Это превращения, происходящие с первичным транскриптом, направленные на образование зрелой, стабилизированной иРНК, способной выполнять функцию матрицы при трансляции и защищенной от разрушающего действия специфических ферментов цитоплазмы. Основные стадии процессинга:

1. отщепление концевых участков первичного транскрипта (спейсеров);

2. формирование на 5/; конце колпачка, состоящего из особой последовательности нуклеотидов;

3. формирование на 3' конце полиадениловой последовательности нуклеотидов АААА:

4. метилирование некоторых внутренних азотистых оснований в транскрипте, стабилизирующее молекулу РНК;

5. вырезание неинформативных участков, соответствующих нитронам ДНК, и сшивание (сплайсинг) участков, соответствующих экзонам. Вырезание интронов происходит с участием сплайссом. Некодирующие последовательности - интроны превращаются в малую ядерную РНК (мяРНК). Выделено до ЗОмяРНК, они участвуют в сплайсинге и ядерноцитоплазматическом транспорте белков.

В результате процессинга у эукариот зрелая нРНК характеризуется следующими особенностями строения:

Колпачок -особая последовательность нуклеотидов с метилированными основаниями, которая обеспечивает узнавание малых субъединиц рибосом; Лиде р -вводная последовательность нуклеотидов, комплементарная последовательности в молекуле рРНК малой субъединицы рибосом, которая обеспечивает прикрепление иРНК к малой субъединице. Стартовый кодон - триплет нуклеотидов, кодирующий в большинстве случаев аминокислоту формилметионин (АУГ). Кодирующая часть - последовательность колонов, шифрующих определенную последовательность аминокислот в соответствующей пептидной цепи.

Трейлер - концевая часть молекулы иРНК, включающая нонсенс-кодон и поли-А последовательность.

3. Трансляция - процесс сборки пептидной цепи, происходящей в цитоплазме на рибосомах на основании программы, содержащейся в иРНК. Основные фазы трансляции: 1) инициация; 2) элонгация; 3) терминация.

Инициация трансляция предполагает следующие события:

- с помощью колпачка иРНК находит в цитоплазме малую субъединицу рибосомы;

с помощью лидерной последовательности устанавливается связь с комплементарным участком определенной фракции рРНК и иРНК прикрепляется к малой субъединице;

к стартовому кодону (АУГ) присоединяется тРНК, несущая формилметионин;

малая субъединица ассоциируется с большой субъединицей в аминоацильном центре (АЦ), в которой располагается формилметионин. Таким образом, фаза инициация завершается формированием комплекса иРНК и рибосомы с подстановкой начальной для всех пептидных цепей аминокислоты - формилметионин.

Фаза элонгации, т.е. наращивание пептидной цепи. Осуществляется путем постепенной подстановки аминокислоты в соответствии с очередным кодовом иРНК, который встает против аминоацильного центра. К этому кодону присоединяется соответствующая тРНК, имеющая комплементарный ему антикодон. Она несет определенную аминокислоту, которая располагается в аминоацильном центре (АЦ), тРНК, соединенная с предыдущим кодовом оказывается в пептидильном центре (ПЩ где располагает свою аминокислоту (цепочку АК). Между двумя аминокислотами, расположенными в пептидильном и аминоацильном центре, при участии имеющихся здесь ферментов возникает пептидная связь:

О Н II I -C? N- После установления пептидной связи предыдущая тРНК отделяется от своей аминокислоты и своего кодона и уходит в цитоплазму, а последняя тРНК, нагруженная цепочкой аминокислот, переходит в ПЦ, заставляя иРНК перемещаться вдоль рибосомы и устанавливать новый кодон против аминоацильного центра. После прохождения через рибосому всей кодирующей части иРНК на рибосоме собирается пептидная цепь с определенной последовательностью аминокислот. Фаза терминации наступает, когда в контакт с рибосомой приходит концевой участок иРНК, который включает нонсенс-кодон, не кодирующий никакой аминокислоты. На этом сборка пептидной цепи заканчивается. По мере освобождения 5/ конца иРНК колпачок может находить новые малые субьединицы рибосом и процесс трансляции может повторно осуществляться на новых рибосомах. Комплекс рибосом, находящихся в контакте с одной молекулой иРНК и синтезирующих одинаковые пептидные цепи, называется полирибосомой (полисомой).

4. Посттрансляционные процессы. В ходе предыдущих этапов реализации наследственной информации обеспечивается синтез пептидной цепи, которая в большинстве случаев начинается с аминокислоты формилметионин и соответствует первичной структуре белковой молекулы. Последующие события заключаются в отщеплении формилметионина, в некоторых случаях осуществляется модифицирование пептида после трансляции, формируется вторичная и третичная структуры белка (иногда для некоторых белков, характеризующихся четвертичной структурой, осуществляется объединение одинаковых, либо различных пептидных цепей с образованием активно функционирующего белка). В зависимости от того, каковы функции белка (ферменты, строительный материал, антитела и т.д), он принимает участие в обеспечении морфо-функциональных особенностей клетки (организма), т.е. в формировании определенных сложных признаков. Это является завершающим этапом процесса реализации генетической информация.

У эукариот образование РНК происходит и в цитоплазме: в митохондриях и хлоропластах (у растений), обладающих собственной системой синтеза белка и собственной генетической информацией в виде ДНК - цитоплазматическая наследственность, однако, система белкового синтеза в митохондриях и пластидах аналогична таковой у прокариот и существенно отличается от белкового синтеза в ядре высших животных. Гены, расположенные в цитоплазме вне хромосом, называются плазмогенами. Ими объясняется особый тип наследования, при котором признак передается через цитоплазму яйцеклетки (по материнской линии). Уникальной остается родословная, по которой в семьях трех поколений родилось 72 девочки и ни одного мальчика. Предполагают, что мутацией митохондриальных генов объясняются некоторые пороки развития человека - Spina bifida (раздвоенный позвоночный столб), сращение нижних конечностей. Реализация у прокариот. В связи с тем, что у прокариот геном организован в виде кольцевидной молекулы ДНК, расположенной непосредственно в цитоплазме клетки, различные этапы реализации наследственной информации практически не разобщены ни во времени, ни в пространстве. Транскрипция и сборка пептидной цепи - трансляция протекают практически одновременно. По мере освобождения начала молекулы иРНК от матрицы ДНК к ней присоединяются рибосомы и начинается синтез пептидных цепей. Особенности реализации наследственной информации у эукариот. Геном эукариот организован сложнее, чем у прокариот. Для него характерен хромосомный уровень организации. В хромосомах ДНК находится в окружении белков. В геноме эукариот имеется много избыточной ДНК. В конце 70-х годов было высказано предположение о наличии в генетическом материале эукариот неинформативных участков - интронов, которые вставлены между информативными - экзонами. Интронноэкзонная организация генов у эукариот определяет необходимость преобразования первичного транскрипта (преинформационной РНК - продукта транскрипции) в зрелую иРНК. Она должна быть освобождена от неинформативных участков и защищена против разрушающего воздействия ферментов цитоплазмы.Кроме того, у эукариот появляется ядерная мембрана, которая пространственно разобщает место хранения генетической информации (хромосомы в ядре) и место синтеза пептидной цепи (рибосомы). Иными словами, у эукарнот процессы транскрипции и трансляции разобщены как пространство (ядерной оболочкой), так и во времени (процессами созревания иРНК).

17. Регуляция экспрессии генов про- и эукариот. Теория оперона. Регуляция экспрессии генов у прокариот.Теория Оперона

Изучение регуляции работы генов у прокариот на этапе транскрипции привело к созданию работы теории оперона Жакоба и Моно.

Оперон-тесносвязанная группа структурных генов, к-ые отвечают за синтез ферментов для какой-либо цепи биохимических реакций. Данная группа генов регулируется как единое целое. Структура оперона: 1)промотор-к нему присоединяется Рнк-полимераза и начинает транскрипцию структурных генов; 2)оператор-позволяет или не позволяет Рнк-полимеразе соединиться с промотором.; 3)структурные гены-несут инфо о ферментах для р-ии биохимической цепи; 4)терминатор-конец оперона.