Биология - Сергей Кутя

Хромосомы многоклеточных организмов подчиняются следующим правилам:

1. Все соматические клетки одной особи имеют в норме одинаковое число хромосом;

2. У всех организмов, относящихся к одному виду, число хромосом также одинаково. Хромосомный набор человека – 46, шимпанзе – 48, курицы – 78, рыбы сазан —104 хромосомы.

Кариотип и идиограмма

Совокупность количественных (число) и качественных (форма) показателей хромосом соматических клеток организма представляет его кариотип. Особи, относящиеся к одному виду, имеют одинаковый кариотип. Хотя у человека и шимпанзе число хромосом почти совпадает – это не является точным критерием их эволюционной близости. Одно и то же число хромосом может наблюдаться у очень далеких друг от друга организмов: муха домашняя, головная вошь, растение шпинат имеют в кариотипе по 12 хромосом. Число хромосом также не является показателем высоты организации (у курицы больше хромосом, чем у человека).

Если гомологичные хромосомы определенного кариотипа сгруппировать и расположить попарно в порядке убывания размеров получится кариограмма, а согласно положению центромеры – идиограмма. Идиограмма позволяет представить кариотип человека в виде схемы, которая включает семь групп, с буквенными обозначениями от А до G.

Чикагская конференция генетиков положила в основу классификации величину и расположение центромеры, а также длину плеч хромосомы: группа А – крупные метацентрические (1,2 и 3 пары), группа В – крупные субметацентрические (4 и 5 пары), группа С – средние субметацентрические (6—12 пары), группа D – крупные акроцентрические (13, 14, 15 пары), группа Е – маленькие субметацентрические (16, 17, 18 пары), группа F – маленькие метацентрические (19 и 20 пары), группа G – маленькие акроцентрические (21, 22 пары – Y).

В настоящее время существует множество технических приемов, которые позволяют детально разграничить хромосомы каждой пары и выявить даже незначительное отклонение в строении отдельных хромосом, а также локализацию в них генов.

Деление клетки

Клеточное деление – это удивительный биологический механизм, с помощью которого в ходе эволюции клетке удалось обмануть время и значительно продлить свое существование. Механизм деления клетки открыл любитель-натуралист лейпцигский продавец книг Вильгельм Гофмейстер в 1848 г. Он зарисовал отдельные стадии деления клеточного тела под микроскопом. Позднее Вильгельм Ру показал универсальность этого явления для животных и растений, что позволило выдающемуся представителю медицины Рудольфу Вирхову провозгласить: «Omnis cellula e cellulae» – каждая клетка из клетки

Деление клетки – митоз, представляет чрезвычайно сложное явление, посредством которого материал материнской клетки равномерно распределяется между дочерними клетками. То, что удается наблюдать при делении клетки в световом микроскопе, лишь внешнее отражение глубоких молекулярно-биохимических внутриклеточных процессов, протекающих в строгой последовательности. Эти процессы объединяет клеточный цикл. Он охватывает промежуток времени от одного деления клеток до другого деления с образованием двух новых клеток. Клетки различных типов имеют неодинаковую длительность клеточного цикла. Общая продолжительность его равна времени, в течение которого произойдет удвоение числа клеток определенной группы (клеточной популяции). Так, если исходное состояние популяции 2x10 клеток—10 часов, а удвоение 4x10 клеток—30 часов, то продолжительность клеточного цикла составляет 20 часов (30 час – 10 час = 20 час.)

В клеточном цикле выделяют: аутосинтетическую интерфазу и митоз (рис. 25).

Рис. 25. Фазы клеточного цикла эукариот: 2n ‒диплоидный набор хромосом (23 хромосомы по 2 копии); 4n – тетраплоидный набор.

Аутосинтетическая интерфаза состоит из пресинтетического периода G1, синтетического периода S, постсинтетического периода G2.

В пресинтетическом периоде G1, клетка накапливает белки и РНК необходимые для формирования внутриклеточных структур. Здесь же может совершаться рост клетки. В G1 имеется точка старта (переходная точка). Это ключевой момент клеточного цикла, пройдя который, клетка включает механизм деления и должна осуществить все последующие стадии: S, G2, митоз. Подтверждением является простое наблюдение. Если клетку в S периоде, то есть прошедшую точку старта, совместить с другой клеткой в состоянии G1. (ранняя фаза), в последней немедленно начнутся процессы характерные для 8 периода. При дефиците основных питательных веществ клетки эукариот останавливаются в фазе G1 в точке старта. Продолжительность G1, максимальна и у разных клеток колеблется от нескольких часов до нескольких суток.

В постсинтетическом периоде G2 синтез ДНК прекращается, но наблюдается интенсивное образование АТФ и ядерных белков. Время необходимое для осуществления этих процессов 3—4 часа. Клетка начинает готовиться к сборке своего митотического аппарата.

Митотический аппарат клетки – это совокупность внутриклеточных структур, которые с началом митоза образуются из центросомы. Центросома (клеточный центр) – органелла, обеспечивающая течение митоза. Она состоит из двух центриолей, связанных тонкой перемычкой центродесмозой и окруженных лучистой сферой цитоплазмы – астросферой.

Митоз (М) – короткий период клеточного цикла. Сущность его заключается в конденсации содержимого ядра и выявлении в нем хромосом, которые удваиваются и затем равноценно распределяются между двумя дочерними клетками. Митоз – это непрерывный процесс, но для удобства рассмотрения в нем выделяют четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 26).

Профаза. Начинается со сдвига физико-химического состояния цитоплазмы и реорганизации цитоскелета клетки. Центросома расщепляется. Ее центриоли расходятся в противоположные стороны, формируя два полюса клетки. Между ними образуется ахроматиновое веретено в виде тонких белковых нитей. Формируется мнтотический аппарат клетки, состоящий из микротрубочек и связанных с ними белков. Ядро клетки несколько увеличивается в размерах. В нем обнаруживаются хромосомы в виде тонких нитевидных структур. Вся группа хромосом выглядит в виде клубка. Ядрышки уменьшаются и исчезают. Конец профазы характеризуется распадом ядерной оболочки на мелкие фрагменты. К этому моменту хромосомы максимально укорачиваются и отделяются друг от друга.

Рис. 26. Схема митоза.

Метафаза. Хромосомы представлены компактными палочковидно изогнутыми тельцами. Каждая хромосома образована двумя тесно связанными половинками – хроматидами. Такие реплицированные (двойные) хромосомы прикрепляются к веретену с помощью особых структур, называемых кинетохоры. В метафазе хромосомы четко сгруппированы в центре клетки, их свободные концы обращены к периферии. Образуется фигура, называемая «материнской звездой» или метафазной пластинкой. Упорядоченное расположение хромосом в метафазной пластинке – это, главным образом, результат действия тянущей силы, создаваемой кинетохорными микротрубочками.

Анафаза. Началом ее является взаимное синхронное разделение всех хромосом на сестринские хроматиды, которые начинают движение к противоположным полюсам. Основное правило анафазы – хроматиды от одной хромосомы расходятся в разные стороны. Движение связано с укорочением микротрубочек кинетохора. В анафазе хроматиды называют дочерними хромосомами. Заканчивается анафаза сближением дочерних хромосом у противоположных полюсов, где они образуют две «дочерние звезды».

Телофаза – заключительная стадия митоза, связанная с реконструкцией ядер. Хромосомы деспирализуются и уже не различаются как отдельные морфологические структуры. Ахроматиновое веретено растворяется. Формируются путем сборки ядерные мембраны, начинается цитокинез – деление цитоплазмы. В животных клетках оно происходит путем гантелевидной перетяжки между ядрами, ее разрыва и образования двух дочерних клеток. Длительность всего клеточного цикла зависит от внешних и внутренних факторов, а также типа клеток. Наиболее короткой фазой является анафаза, максимальную продолжительность имеет интерфаза.

Регулирует и контролирует процессы митоза группа гормонов, относящаяся к факторам роста (см. ниже).

Отмечен суточный ритм митозов, связанных с биоритмами каждого организма. Так, у животных с ночным образом жизни пик митозов приходится на ранние утренние часы, у дневных животных и человека максимум митозов наблюдается в вечерние часы суток. Как долго исходная клетка может делиться митозом? Наблюдения над клетками соединительной ткани (нормальные фибробласты), выращенными в условиях лаборатории, показали, что способность каждой клетки данной линии делиться ограничена 50-ю удвоениями (лимит Хейфлика), после чего эта линия клеток погибает за счет исчезновения теломер. Если клеточную культуру заморозить на длительный срок после 10-го и 20-го удвоения, а затем разморозить, они все равно дадут только 50 удвоений. Также ведут себя и другие типы клеток, что обусловлено их генетической памятью. Клетки, как бы имеют «встроенные часы», точно отсчитывающие число делений своей линии. Жизнь клетки как любой живой системы ограничена.