Генотипическая изменчивость

На теле хромосомы всегда имеется первичная перетяжка, разделяющая  ее на два плеча. Расположение этой перетяжки всегда постоянно и  по этому признаку хромосомы делят на три типа: равноплечие (метацентрические), неравнопелчие ( субметацентрические), разноплечие (акроцентрические). У равноплечих центромера делит хромосому на два плеча равной или почти равной длины, у неравноплечих - не равные плечи, у разноплечих - одно плечо очень короткое. Первичную перетяжку иначе называют кинетической. В месте первичной перетяжки располагается центромера (от латинского - центр, meros - часть). Центромера - плотное сферическое тельце, управляющее движениями хромосомы в митозе. В месте нахождения центромеры хромосома тоньше.

Цитологами обнаружены хромосомы, которые имеют вторичную перетяжку, не выполняющую кинетических функций. Эта перетяжка обычно расположена  у конца хромосомы, отделяя от нее участок под названием  спутник, который соединяется с  телом хромосомы тонкой нитью. Наличие  спутников впервые установил  С.Г. Навашин (1912). Полагают, что спутники имеют отношение к образованию  ядрышка.

В слюнных железах некоторых  видов насекомых обнаружены гигантские или политенные хромосомы, которые  по форме напоминают длинные ленты  и в сотни разпревосходят по величине метафазные хромосомы. Необычную величину этих хромосом связывают с энергичной секреторной деятельностью слюнных  желез.

Необходимо отметить, что  форма и величина хромосом, могут  изменятся в ходе онтогенеза, под  влиянием внешних условий, экспериментальных  воздействий.

Каждый вид организма  имеет только присущий ему набор  хромосом, получивший название кариотипа (от греческого karyon - ядро и hypos - отпечаток). Этим термином обозначают совокупность хромосом клетки организма и характерных  для них признаков (число, величина, форма, расположение центромера и т. д.).

Кариотип можно представить  в виде схемы, диаграммы или рисунка, называют идиограммой.

Более тонкое строение хромосом было изучено с применением метода электронной микроскопии. Установлено, что хромосома состоит из двух перевитых продольных половинок, названных  хромотидами. Хроматиды состоят  из одной или нескольких нуклеопротеидных нитей, которые были названы хромонемами (Вейдовский, 1912). Хроменемы являются постоянными субъединицами хромосом. Обычно хромонемы закручены в  спираль. Известны спирали двух типов - паранемические и плектонемические. Первые характерны тем, что их компоненты могут разъединятся без предварительного раскручивания, вторые - разъединяются  только после предварительного раскручивания, так как их компоненты тесно переплетены  друг с другом.. Хромонемы имеют  утолщения, которые названы хромомерами, впервые обнаруженные Бальбиони (1876). Считают, что хромомеры представляют собой плотно спирализованный участок хромонемы.

Свойства хромосом, обеспечивающих передачу наследственных признаков, определяются их химическим составом. Использование  при изучении химического состава  хромосом цитохимических, биохимических  и других методов позволило установить, что общий состав хромосом представлен  в основном ДНК и РНК. В комплексе  с основным белком ДНК составляет около 90 % массы хромосом и около 10 % приходится на долю РНК в состоянии  с кислым белком (рибонуклеопротеид - РНП) и негистонными белками. Роме этого в хромосомах обнаружено незначительное количество Fe, Zn, Ca, Mg. Каждая хромосома  имеет постоянное количество ДНК, что  весьма важно, так как эта кислота  несет генетическую информацию. ДНК  хромосом всегда связана с основными  белками (гистонами), образуя дезоксирибонуклеопротеид (ДНП). Гистоны являются ядерными белками  с высоким содержанием основных аминокислот (лизина и аргинина), что  придает им основные свойства. Кроме  этого они содержат почти полный набор аминокислот. Ядро клеток организма  одного вида имеет одинаковые гистоны. Эти белки во многом определяют структурную  организацию и функционирование хромосом. Они влияют на характер спирализации хромосом и выполняют роль репрессоров  по отношению к генам. Количество РНК в хромосомах более изменчиво, чем ДНК и зависит от принадлежности клеток к различным тканям. Считают, что содержание РНК в хромосомах зависит от функционального состояния  их и интенсивности процессов  метаболизма в клетке.

Заключительная роль в  функционировании хромосом принадлежит  Са и Мg. При удалении этих веществ, хромосомы утрачивали целостность  и фрагментировались, что является свидетельством участия Са и Мg в  соединении молекулы ДНК. К тому же, катионам Мg принадлежит важная роль в активации ферментов.

Хромосомы, взаимодействуя с внехромосомными механизмами, обеспечивают хранение генетической информации, использование ее для создания и  поддержания клеточной организации, регуляцию свертывания закодированной информации, удвоение материала наследственности и передачу его материнской клеткой  дочерним.

8.1 Нуклеиновые кислоты  - молекулярные носители наследственности

Не зависимо от степени  сложности все органические формы  содержат белки и нуклеиновые  кислоты - биологические полимеры. Белки  и нуклеиновые кислоты тесно  взаимодействуют в ходе обменных процессов, протекающих в клетке. Они входят в состав хромосом. Собственно, хромосома представляет собой нуклеопротеидную структуру, состоящую из дезоксирибонуклеиновой кислоты, основных белков гистонов, негистоновых белков и небольшого количества рибонуклеиновой кислоты. Белки оказались генетическими производными нуклеиновых кислот. У всех организмов (прокариот и эукариот), за исключением некоторых РНК - содержащих вирусов, молекулярным носителем наследственности является ДНК. Нуклеиновые кислоты были выделены из ядер клеток человека Ф. Мишером (1869), а затем из спермиев лососей. Выделенное вещество он назвал нуклеином (от латинского nucleus - ядро), подчеркнув этим локализацию вещества в ядре клеток.

Было установлено, что  ДНК локализована преимущественно  в ядре клеток, а РНК находится  в ядре и цитоплазме.

Важнейшее свойство клетки - способность к ее самовоспроизведению. Но, кроме ДНК, ни один составной  компонент клетки и входящие в  ее состав белки такими свойствами не обладают. Способность ДНК к  саморепродукции имеет громадное  значение в процессе роста, деления  и размножения клеток одного и  того же организма (печени, мышечной ткани, нервной ткани) содержат в ядрах  одинаковое количество ДНК.

Доказательства роли нуклеиновых  кислот как носителей наследственности получены на бактериях и вирусах, которые в генетике содержат в  качестве модельных организмов. Работы Ф. Гриффитса (1928) послужили основанием доказательства ведущей роли ДНК  в наследственности. Ученым в опытах были использованы пневмококки, бактерии, вызывающие воспаление легких и гибель мышей (штамм S бактерии, образующие капсулу) и не вызывающие их гибели (штамм R - бескапсульные бактерии). Ф. Гриффитс заражал мышей смесью живых бескапсульных  бактерий R-штамма и убитых нагреванием  капсульных пневмококков S-штамма, в  результате чего животные заболевали и погибали, а выделенные из их организма  пневмококки были как R-, так и S-штаммов. Опыты свидетельствовали о превращении (трансформации) некоторых бескапсульных  бактерий R-штамма (не вирулентных) в  вирулентные капсульные бактерии S-штамма.

В 1944 году О. Эвери с сотрудниками доказал, что фактором генетической трансформации у пневмококков, задействованных  в опытах Ф. Гриффитса, служит ДНК. Доказательства этому были представлены в результате проведения следующих опытов. В питательную  среду с бескапсульными штаммами бактерий добавили ДНК, выделенную от капсульных бактерий, в результате чего бескапсульные бактерии превращались в капсульные, т. е. получали эффект трансформации. Трансформация была эффективной даже при разведении ДНК в миллион раз. Эффект трансформации  у микроорганизмов был получен  по ряду других признаков (чувствительность к антибиотикам, способность синтезировать  аминокислоты и т .д )

Известно, что при размножении  бактериофагов (вирусов бактерий) они  прикрепляются к бактериальной  клетке и как шприцем впрыскивают  в нее свою внутреннюю нить ДНК, а  белковая оболочка остается снаружи  бактерии. Нить ДНК самовоспроизводится, все ресу4рсы клетки используются на синтез губительного для нее бактериофага. Клетка бактерии гибнет, а частицы  бактериофага выходят наружу и заражают новые клетки. Следовательно молекулы ДНК фага обладают наследственной информацией, необходимой для образования  и развития частиц бактериофага.

Ярким свидетельством генетической роли ДНК были эксперименты А. Херши  и М. Чейза (1952). Сущность этих опытов заключалась в следующем. Меченые  атомы фосфора вводили в ДНК  бактериофага, в меченые атомы  серы - в его белковую оболочку. Было установлено, что в последующих  поколениях бактериофага удавалось  обнаружить частицы, меченного фосфора, а не серы, т. е. наследственность бактериофага передается через ДНК, а не через  белок.

Создание гибридных вирусов  также является доказательством  ведущей роли ДНК в наследственности. Нить ДНК и РНК у вирусов  окружена белковой оболочкой. Белковая оболочка определенного вида вируса может быть удалена и нити ДНК  или РНК приданы белковые вещества от другого вида вируса. Такой гибридный  вирус приобретает свойства того вида вируса, от которого взята нуклеиновая  кислота.

Белки являются структурной  основой всех клеток, органов и  тканей животного организма. В комплексе  с другими веществами они образуют различного рода клеточные структуры. Составными элементами молекул любого белка являются 20 аминокислот. Белки  различаются между собой по количеству определенных кислот и порядку их расположения в полипептидных цепях. Уместно напомнить аминокислоты, входящие в состав белка: аланин, аргинин, аспарин, аспарогиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глктамин, глицин, гистоидин, изолейцин, лейцин, метионин, фенилаланин, пролин, серин, треонин, триптофан, тирозин, валин. Белок представляет собой биологический полимер. Мономерами этого полимера служат аминокислоты, в молекулах которых имеются  две группы атомов: аминная группа (NH2) и кислотная (СООН). Условно обозначая  кислоту, например, буквой А мы можем  изобразить последовательность аминокислот  в каком либо определенном белке: А7-А9-А15-А2-А6……А18. Последовательность аминокислот в молекуле белка  определяет его свойства.

Генетический аппарат  бактерий представлен молекулой  ДНК, которая в виде нуклеотида располагается  в центральной части цитоплазмы. У вирусов геном представлен  ДНК или же РНК. Молекула ДНК состоит  из большого числа нуклеотидов. Каждый нуклеотид представляет собой соединение из фосфата, сахара и азотного основания. В ДНК входит сахар дизоксирибоза, в РНК - рибоза. В молекулу ДНК  вирусов и фагов может входить  от нескольких тысяч до сотен тысяч нуклеотидов, в ДНК бактерий и простейших до 10 млн., а в ДНК высших организмов до 1 млрд.

Английский ученый Ф. Крик и американский Дж. Уотсон (1953) обосновали представление о ДНК. По их мнению молекула ДНК состоит их двух нитей, спирально закрученных одна вокруг другой. Диаметр двойной спирали  ДНК равен 2 нм, а расстояние между  витками 3,4 нм. На каждый виток спирали  приходится 10 пар нуклеотидов. Расстояние между азотистыми основаниями составляет 0,34 нм. Ее сравнивают с винтовой лестницей. Если свернутую в спираль ДНК  развернуть, то она принимает вид  лестницы. Сахар и фосфат составляют основу продольных нитей, «перекладины»  состоят из азотистых оснований. Азотистые основания - плотные кольцевидные соединения из атомов С и N (аденин, гуанин, тимин, цитозин). Одни и те же у всех видов организмов. ДНК разных видов  различается порядком чередования  указанных азотистых оснований. Как известно, в состав белков входят 20 аминокислот. Каждой аминокислоте соответствует  определенный триплет, т. е. три азотистых  основания. Совокупность всех триплетов  получила название генетического кода. Код одинаков у бактерий, вирусов, простейших, животных, человека, так  как последовательность чередования  триплетов в молекуле ДНК и  молекуле определенного белка оказываются  единственными во всем органическом мире. В этом единстве строения ДНК - величайшее единство органического  мира. Азотистые основания в ДНК  двух видов:

1. Двухкольцевые (пуриновые) - аденин, гуанин - 12 ангстрем;
2. Однокольцевые (пиримидиновые) - тимин, цитозин - 8 ангстрем.

Азотистые основания нуклеотидов  заключены внутри между витками  спирали ДНК и соединены водородными  связями, которыетребуют строгой парности оснований. А именно, Аденин связывается  с Тиамином, Гуанин с Цитазином.

Английский биохимик Э. Чаргафф (1960), а затем советские ученые А.Н. Белозерский и А.С. Спирин показали, что в любой ткани растений и животных, в бактериальной клетке и вирусной частице, содержание молекул  аденина равно содержанию молекул  тимина, а содержание цитозина - содержанию гуанина. Это правило нуклеотидных отношений

(А + Г/Т + Ц = 1),

содержащее в основе строения всех ДНК получило название по имени  автора - правило Чаргоффа. Сумма  пуриновых оснований в любой  молекуле равна сумме пиримидиновых  оснований. Эта закономерность обоснована на большом количестве видов организмов. Она является доказательством того, что внутри спирали ДНК против каждого пуринового основания находится пиримидиновое и, наоборот. Согласно правила Чаргоффа аденин одной цепи ДНК связан только с тимином другой, а гуанин только с цитозином. Пара адение-тимин связана двумя водородными связями, а гуанин-цитозин - тремя. Такая закономерность соединения азотистых оснований называется комплементарностью, а азотистые основания комплементарными, т. е. взаимно дополняющими друг друга. Азотистые основания ориенитрованы к середине спирали. Для хромосом эукариотов характерно линейное строение молекулы ДНК, у прокариотов молекула ДНК замкнута в кольцо.

Комплементарность азотистых  оснований в молекуле ДНК составляет главную сущность молекулярных основ  наследственности и позволяет понять, как при делении клетки синтезируются  тождественные молекулы ДНК.

Перед каждым удвоением хромосом и делением клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. Репликацией называют процесс самокопирование молекулы ДНК с соблюдением порядка  чередования нуклеотидов, присущего  материнским комплементарным нитям.

Спиралевидная двухцепочная ДНК сначала расплетается (раскручивается) вдоль оси, водородные связи между  азотистыми основаниями рвутся и  цепи расходятся. Затем, к каждой цепи пристраиваются комплементарные азотистые  основания и образуются две новые  дочерние молекулы ДНК. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую  и одну вновь синтезированную  цепь, называют полуконсервативным.

Процесс реплдикации осуществляется с помощью ферментов, которые  получили название ДНК-полимераз. Участок  молекулы ДНК, в котором начали расплетаться комплементные нити, называется вилкой репликации. Она образуется у прокариот  в определенной генетически детерминированной  точке. В молекуле ДНК у эукариот таких точек инициации репликации («стартовых точек») бывает несколько. У эукариот процесс репликации ДНК  идет неодинаково. Объясняется это  тем, что полинуклеотидные цепи в  молекуле ДНК антипараллельны, т. е. 5'-конец одной цепи соединяется  с 3'-концом другой, и наоборот. Материнская  цепь, на которой синтез идет от точки  старта 5'->3' в виде сплошной линии, называется лидирующей, а вторая цепь, на которой синтез идет от 3'->5' (в  противоположном направлении) отдельными фрагментами получила название запаздывающей. Синтез этой цепи сложнее синтеза  лидирующей цепи. Он протекает с  участием фермента лигазы отдельными фрагментами. Эти фрагменты (участки  кодовой нити ДНК) содержат у эукариот 100-200, а у прокариот 1000-2000 нуклеотидов. Они получили название фрагментов Оказаки, по имени открывшего их японского  ученого.