Лекция 2 Цитохимические основы наследственности

Дисциплина: Генетика человека с основами медицинской генетики

Преподаватель:

1

кмн Сизова Валентина Владимировна

Учебник:

• Генетика человека с основами медицинской генетики: учеб. для студ.учреждений сред.проф.учеб.завдений/ В.Н.Горбунова. М.: Изд.центр "Академия", 2012 стр. 10-28, 30-32 • Медицинская генетика: учебник для медицинских колледжей / Под ред. Н.П.Бочкова. - М.:ГЭОТАР-Медиа, 2008 стр. 25-47 2

ПОВТОРИМ КАРИОТИП –

число, величина и морфологические особенности хромосом характеристика вида, в которой учтены

Геном –

вся совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом клеток данного организма.

Генотип

– это генетическая конституция организма, представляющая собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в хромосомном наборе –

кариотипе

.

Идиограмма

(

идио-

син. кариограмма) — графическое изображение отдельных хромосом со всеми их структурными характеристиками + греч. gramma запись, изображение; 3

ИДИОГРАММА КАРИОТИПА ЧЕЛОВЕКА

4

Хромосомный набор

— совокупность всех хромосом в клетке. Различают два основных типа наборов хромосом: • одиночный, или

гаплоидный

(в половых клетках животных), обозначаемый n, • двойной, или

диплоидный

(в соматических клетках, содержащий пары сходных, гомологичных хромосом от матери и отца), обозначаемый 2n. 5

Организация генетического материала • Хромосомы ядра диплоидной клетки парные. Каждая пара образована хромосомами, имеющими одинаковый размер, форму, положение первичной и вторичной перетяжек. Такие хромосомы называют

гомологичными

.

• У человека 22 пары гомологичных хромосом и 1 пара половых.

6

кариотип 7

Нормальный хромосомный набор

женщины

(в правом нижнем углу две X-хромосомы)

46,ХХ.

Нормальный хромосомный набор

мужчины

(в правом нижнем углу — последовательно Х- и Y-хромосомы).

46,ХY

8

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Клеточный цикл – время существования клетки как таковой – от одного деления до другого, и строго определенная последовательность событий, происходящих в это время

В организме взрослого человека ежесекундно образуется несколько миллионов новых клеток (10 6 - 10 7 ) 9

М

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

G 2 G 1 S G0 R В клетках эукариотов средняя продолжительность S фазы – 8 часов Все фазы клеточного цикла регулируются специфическими белками , кодируемыми генами клеточного цикла (cdc генами) G 2 фазы – 4 часа М-фазы – около 1 часа Точка рестрикции G 1 фазы – вариабельна по длительности

10

11

Деление клеток Жизненный (клеточный цикл) и митотический цикл.

Период существования клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки (включая само деление) до собственного деления или смерти называют

жизненным (клеточным) циклом

.

Митотический цикл

наблюдается у клеток, которые постоянно делятся, в этом случает цикл состоит из интерфазы и митоза.

12

МИТОЗ

Митоз

(

mitosis

), кариокинез, или непрямое деление, — универсальный, широко распространенный способ деления клеток. При этом конденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом, образуется веретено деления, участвующее в сегрегации и переносе хромосом (ахроматиновый митотический аппарат), происходит расхождение хромосом к противоположным полюсам клетки и деление тела клетки (цитокинез, цитотомия). 13

В митозе выделяют следующие стадии:

Профаза

Метафаза

Телофаза Анафаза

14

Митоз

15

Митотический цикл Митотический цикл состоит из

деления – времени до следующего деления.

митоза

и

интерфазы –

Наиболее распространены митотические циклы длительностью 18 20 ч.

Встречаются циклы продолжительностью несколько суток. 16

Митотический цикл Продолжительность интерфазы, как правило, составляет до 90% всего клеточного цикла. Состоит из трех периодов: пресинтетического (G 1 ), синтетического (S), постсинтетического (G 2 ).

Пресинтетический период Период роста ,

. Набор хромосом – 2n, диплоидный, количество ДНК – 2c, в каждой хромосоме по одной молекуле ДНК. начинающийся непосредственно после митоза. Самый длинный период интерфазы, продолжительность которого в клетках составляет от 10 часов до нескольких суток. 17

Митотический цикл

Синтетический период.

различна: от нескольких минут у бактерий до 6-12 часов в клетках млекопитающих.

Продолжительность синтетического периода Во время синтетического периода происходит самое главное событие интерфазы —

удвоение молекул ДНК

. Каждая хромосома становится двухроматидной, а число хромосом не изменяется

(2n4c).

18

Митотический цикл

Постсинтетический период (2n4c).

синтеза (репликации) ДНК.

Начинается после завершения Если пресинтетический период осуществлял рост и подготовку к синтезу ДНК, то постсинтетический обеспечивает подготовку клетки к делению и также характеризуется интенсивными процессами синтеза и увеличения числа органоидов.

19

Митотический цикл

Митоз

— непрямое деление клеток, представляющее собой непрерывный процесс, в результате которого происходит равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками.

В результате митоза образуется две клетки, каждая из которых содержит столько же хромосом, сколько их было в материнской. Дочерние клетки генетически идентичны родительской.

20

Митотический цикл Для удобства изучения происходящих во время деления событий митоз искусственно разделяют на четыре стадии: профазу, метафазу, анафазу, телофазу Профаза (2n4c).

Происходит спирализация хромосом.

видно, что каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой.

. Первая фаза деления ядра.

Формируется веретено деления.

В поздней профазе хорошо Оно образуется либо с участием центриолей (в клетках животных и некоторых низших растений), либо без них (в клетках высших растений и некоторых простейших).

Начинает растворяться ядерная оболочка.

21

Митотический цикл Метафаза (2n4c).

называемую Началом метафазы считают тот момент, когда ядерная оболочка полностью исчезла. В начале метафазы хромосомы выстраиваются в плоскости экватора, образуя так

метафазную пластинку

. Причем центромеры хромосом лежат строго в плоскости экватора.

Нити веретена прикрепляются к центромерам хромосом, некоторые нити проходят от полюса к полюсу клетки, не прикрепляясь к хромосомам. 22

Митотический цикл Анафаза (4n4c).

Делятся центромеры хромосом и у каждой хроматиды появляется своя центромера. Затем нити веретена растаскивают за центромеры дочерние хромосомы к полюсам клетки.

Во время движения к полюсам они обычно принимают V-образную форму.

Расхождение хромосом к полюсам происходит за счет укорачивания нитей веретена. 23

Митотический цикл Телофаза (2n2c).

В телофазе хромосомы деспирализуются .

Веретено деления разрушается.

Вокруг хромосом формируется оболочка ядер дочерних клеток.

На этом завершается деление ядра (кариокинез), затем происходит деление цитоплазмы клетки цитоплазму.

(или цитокинез).

При делении животных клеток в плоскости экватора появляется борозда, которая, постепенно углубляясь, разделяет материнскую клетку на две дочерние. У растений деление происходит путем образования так называемой клеточной пластинки, разделяющей 24

Повторение В профазу происходят процессы: Происходит спирализация хромосом. Формируется веретено деления. Начинает растворяться ядерная оболочка. (2n4c) В метафазу происходят процессы: Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора.

Нити веретена прикрепляются к центромерам хромосом. (2n4c) В анафазу происходят процессы: Делятся центромеры хромосом. Нити веретена растаскивают за центромеры дочерние хромосомы к полюсам клетки. (4n4c) 25

Повторение В телофазу происходят процессы: Хромосомы деспирализуются; Образуется ядерная оболочка; У растений формируется клеточная стенка между дочерними клетками, у животных – перетяжка, которая углубляется и делит материнскую клетку.

26

Повторение 1.

Что происходит в различные периоды интерфазы митоза? Каков набор хромосом и ДНК в разные периоды интерфазы?

27

Строение хромосомы

• Хромосома в световом микроскопе (А) и ее схематическое изображение (Б); • хромосома при дифференциальной окраске (В) и ее схематическое изображение (Г); • Д — хромосома в сканирующем электронном микроскопе; • Е — хромосома в трансмиссионном мегавольтном электронном микроскопе; 1 — теломеры; 2 — центромеры; 3 — плечи хромосомы. p – малое плечо q – длинное плечо 28

Молекулярная структура хромосом

• Функция этой структуры заключается в такой упаковке ДНК, чтобы она поместилась в хромосоме. Если бы геномная ДНК была представлена в виде обычной двунитевой спирали, то она протянулась бы на стержня, образуя

2 метра

. При упаковке ДНК используется все тот же принцип спирали, но он представлен несколькими уровнями. Сначала ДНК обвивается вокруг гистонового

нуклеосомы

. Каждая нуклеосома включает 140 – 150 нуклеотидов, обвитых вокруг гистонового стержня. • Затем следует «голая» ДНК из 20 – 60 нуклеотидов, которая разделяет соседние нуклеосомы . Нуклеосомы формируют спирально закрученный соленоид . Каждый виток соленоида включает

6 нуклеосом

. В свою очередь, соленоиды организованы в хроматиновые петли, которые прикрепляются к белковому каркасу. Из хроматиновых петель, каждая из которых содержит примерно 100 т.п.н., образуется собственно хроматин хромосом. В результате такой сложной упаковки исходная длина молекулы ДНК уменьшается

в 10000 раз

.

29

Уровни упаковки ДНК. Генетический код

1 - молекула (цепь) ДНК; 2 - нуклеотиды (азотистые основания); 3 - двухнитчатая спираль ДНК; 4 - ген (участок спирали выделен красным цветом); 5 - гистон; 6 - упаковка ДНК в хроматине; 7 - упаковка ДНК в хромосоме; 8 - хромосома; Обозначения нуклеотидов: A - аденин; C - цитозин; G - гуанин; T - тимин (или U - урацил) 30

Морфология митотических хромосом

Морфологию митотических хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Хромосомы в этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной метофаза и анафаза 31

Теломера

32

Мейоз (схема)

Мейозом называется процесс деления ядер зародышевых клеток при их превращении в гаметы. Мейоз включает два деления клеток, которые называются соответственно мейоз I и мейоз II. Каждое из этих делений формально состоит из тех же стадий, что и митоз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы.

33

Домашнее задание

Законспектировать Словарь терминов: • Разделы «Нуклеиновые кислоты» • Описать сперматогенез и овогенез • Строение сперматозоида • Строение яйцеклетки 34

Молекулярная генетика

• Материальным субстратом наследственности и изменчивости являются

нуклеиновые кислоты

. • Это полимеры, состоящие из мономеров нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание 35

Хранение информации

• Генетическая информация закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК, организованных в функциональные участки, называемые

генами

.

А Т Т Г Г А А А Ц Ц Г Т Ц А Т

• Участки ДНК кодируют белки, т. е. они содержат информацию об аминокислотной последовательности белков. Каждый аминокислотный остаток представлен в ДНК своим кодовым словом (

кодоном

), состоящим из

трех

следующих друг за другом азотистых оснований. 36

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

– система записи генетической информации в молекуле нуклеиновой кислоты о строении молекулы полипептида, количестве, последовательности расположения и типах аминокислот.

*Генетическая информация записана только в одной (кодогенной, информативной или значащей) цепи ДНК, вторая цепь не несет генетической информации.

37

Вспомним !

СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

Триплетность Вырожденность (избыточность) Непрерывность Однозначность Неперекрываемость Универсальность 38

(физик-теоретик ) В 1954 году опубликовал статью, где первым поднял вопрос генетического кода, доказывая, что "при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для "записи наследственной информации" www.intuit.ru

http://www.intuit.ru/department/history/ithistory/10/10 12.jpg

Интернет-университет информационных технологий 39

Аминокислота

Аланин Аргинин Аспарагин Аспарагиновая кислота Валин Гистидин Глицин Глутамин Глутаминовая кислота Изолейцин Лейцин Лизин Метионин Пролин Серин Тирозин Треонин Триптофан Фенилаланин Цистеин Знаки препинания

Кодирующие триплеты – кодоны

ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ ЦГУ ЦГЦ ААУ ААЦ ЦГА ЦГГ АГА АГГ ГАУ ГУУ ГАЦ ГУЦ ЦАУ ЦАЦ ГГУ ГГЦ ГУА ГУГ ГГА ГГГ ЦАА ЦАГ ГАА АУА ГАГ АУУ АУЦ ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ ААА ААГ АУГ ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ УУА УУГ АГУ АГЦ УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ УАУ УАЦ АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ УГГ УУУ УУЦ УГУ УГЦ УГА УАГ УАА

Таблица. Генетический код

40

41

Роберт Уильям Холли (США) Хар Гобинд Корана (США) Маршалл Уоррен Ниренберг (США)

За расшифровку генетического кода и его функции в синтезе белков.

42

нуклеиновые кислоты

дезоксирибонуклеиновая (ДНК)

замкнутая спиралевидная двойная цепь, звенья которой составляют нуклеотиды азотистые основания – пуриновые (

аденин, гуанин

пиримидиновые ( )

цитозин, тимин

) -

рибонуклеиновая (РНК)

одинарная цепь, звенья которой составляют нуклеотиды азотистые основания – пуриновые ( –

аденин, гуанин

) пиримидиновые (

цитозин, уроцил

)

КОМПЛЕМЕНТАРНЫЕ АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ

ДНК РНК 43

РНК ДНК

http://nauka.relis.ru/08/0402/rna2.jpg

44

45

46

Решающим фактором в хранении, передаче и преобразовании генетической информации способность нуклеиновых, оснований к специфическому (комплементарному)

спариванию.

47

Репликация -

способность ДНК к самокопированию, основное свойство материала наследственности Любая дочерняя молекула ДНК состоит из одной старой и одной новой полинуклеотидной цепи 48

Структура гена

ген

( ы) (греч.

genos

род, рождение, происхождение) - структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая образование какого-либо признака, представляющая собой отрезок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты у эукариот кодирующие участки гена — некодирующими вставками —

экзоны интронами

— чередуются с

промотор —

последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, которую узнает молекула фермента РНК-полимеразы и соединяется с ней, чтобы начать транскрипцию данного гена. 49

иРНК (мРНК) РНК, отвечающая за перенос информации о первичной структуре белков от ДНК к местам синтеза белков Составляет 3-5% всей РНК в клетке.

РНК

тРНК РНК, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка и участие в наращивании полипептидной цепи Составляет примерно 15% всей клеточной РНК.

рРНК Основная функция осуществление процесса трансляции считывания информации с мРНК аминокислотами.

Составляет 80% всей РНК клетки 50

Порядок чередования групп А, У, Г и Ц в получаемой РНК полностью зависит от строения исходной ДНК 51

акцептор Б антикодон В А а) нуклеотидная последовательность б) вторичная структура в) трёхмерная пространственная структура 52

КОДОН

– участок из трех нуклеотидов (триплет) в молекуле иРНК

АНТИКОДОН

- (греч. anti – «против) участок молекулы тРНК, состоящий из трех нуклеотидов и узнающий соответствующий ему кодон.

АКЦЕПТОР (АКЦЕПТОРНАЯ НИТЬ)

– конец нити тРНК, присоединяющий к себе аминокислоту.

53

ЭТАПЫ СИНТЕЗА БЕЛКА ТРАНСКРИПЦИЯ ТРАНСЛЯЦИЯ ИНИЦИАЦИЯ ЭЛОНГАЦИЯ ТЕРМИНАЦИЯ ПОСТРАНСЛЯЦИОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ Необходимые условия Нуклеиновые кислоты Много ферментов Много энергии (АТФ) Рибосомы Аминокислоты

Ионы Mg 2+ 54

Синтез белка

– это сложный многоступенчатый процесс образования белковой молекулы (полимера) из аминокислот (мономеров), который подразделяется на несколько этапов. 55

Транскрипция

ДНК на и-РНК – считывание кода с гена Транспорт и-РНК из ядра в цитоплазму по ЭПС к рибосомам

Трансляция

– процесс сборки молекулы белка в рибосоме с участием р-РНК и т-РНК 56

рисунок с сайта vohuman.org

Белок Молекула ДНК Комплементарная мРНК (иРНК)

Удлинение 2 полипептидной цепи 1 Начало синтеза

http://images.nature.web.ru/nature/2000/12/13/0001157658/1.gif

Окончание синтеза 3

58

59

Спасибо за внимание

60