Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

В нуклеиновой кислоте вируса закодирована информация о всех

его структурных белках. Многие вирусы содержат гены специфиче-

ских полимераз (репликаз) — ферментов, контролирующих реплика-

цию молекул нуклеиновых кислот. Но чаще вирусы используют для

репликации ферменты клетки-хозяина. Некоторые мелкие вирусы со-

держат только три гена. Например, вирус ms-2 имеет гены, кодирую-

щие Л-белок, репликазу и белок оболочки. Гены вирусов могут

существовать в виде фрагментов ДНК, разделенных генетически

инертными нуклеотидными последовательностями. Эти последова-

тельности в момент работы генов «вырезаются», и целостность генети-

ческой информации восстанавливается.

Генетическое вещество у вирусов заключено в белковую оболоч-

ку, которая вместе с нуклеиновой кислотой образует так называемый

капсид или нуклеокапсид. Большинство вирусов растений и РНК-

содержащих бактериальных фагов состоит только из нуклеиновой

кислоты и белка. Однако существует немало вирусов, которым

свойственна более сложная организация: капсид у них покрыт липид-

ной оболочкой, а на ее поверхности располагаются молекулы вирусо-

специфических гликопротеидов (рис. 7).

Нуклеокапсиды обычно имеют либо спиральную структуру, либо

икосаэдрическую (от гр. икосаэдр — многогранник с 20 треугольны-

ми гранями, имеющий кубическую симметрию). У Г-четных бактерио-

фагов нуклеокапсид внешне напоминает головастика. В нем разли-

Рис. 7. Схема строения Т-четного фага (а; из Н. П. Дубинина, 1985) и модель

структуры вируса гриппа (б; из П. Зенгбуша, 1982):

1 — головка; 2—белок; 3 — ДНК; 4 — хвост; 5—полая сердцевина; 6—чехол (спиральный белок);

7—шестиугольная пластинка; 8 — хвостовая нить; 9 — гемагглютинин; 10—нейроминидаза; 11 —

нуклеокапсид.

чают головку гексагональной формы, цилиндрический хвостовой

отросток и хвостовые нити. Форма нуклеокапсида определяет видо-

специфичность вируса. Например, у бактериафагов сложные

ДНК-вые капсиды без оболочки, у вирусов эукариотических кле-

ток — с липидной оболочкой.

По видоспецифичности различают вирусы позвоночных и беспоз-

воночных, вирусы только позвоночных, вирусы растений, насекомых,

бактерий. Каждая из этих групп вирусов по патогенности (способ-

ность вызывать определенное заболевание, например оспу, грипп

и др.), по размерам вирусной частицы, форме нулеокапсида, моле-

кулярной массе и по форме ДНК или РНК подразделяется на семей-

ства. К примеру, опухолевые вирусы, относящиеся к семейству

Papovaviridae, имеют диаметр 45—50 нм и кольцевую двухцепочеч-

ную ДНК- Их молекулярная масса варьирует в пределах 3- 10

—

5 • 10

. Для вируса гриппа, относящегося к семейству Orthomyxoviri-

dae, характерны размеры 80—120 нм, спиральный нуклеокапсид, од-

ноцепочечная ДНК, молекулярная масса 5 • 10

. Вирус обычной про-

студы из семейства Coronaviridae не превышает в диаметре 18 нм,

содержит РНК, имеет спиральный нуклеокапсид.

Как указывалось выше, транскрипция и репликация генетической

информации вируса осуществляются с участием ферментов клетки-

хозяина. Процесс внедрения вируса в клетку называется инфициро-

ванием. Он начинается с адсорбции вируса на мембране клетки.

После этого вирусная нуклеиновая кислота проникает в клетку. Вирус

Рис. 8. Жизненные циклы умеренного и вирулентного фагов:

I—литический путь развития вирулентного фага; II—путь лизогенизации

умеренного фага.

обладает способностью «узнавать» рецепторные участки на клеточ-

ной мембране, и потому процесс его адсорбции строго специфичен.

По типу взаимодействия с клеткой вирусы делятся на вирулент-

ные (литические) и умеренные (лизогенные). Вирулентный вирус,

проникнув в клетку, размножается в ней и вызывает ее лизис, что со-

провождается образованием новых вирусных частиц. Умеренный же

вирус после внедрения в клетку не убивает ее, а переходит в состояние

профага и временно становится как бы частью ее генетической

программы (рис. 8). В этом случае клетка оказывается лизогенной по

фагу, т. е. содержащей в своей хромосоме профаг. Способность

фага существовать в бактериальной клетке в виде профага, назы-

вается лизогенией. Профаг, несущий всю фаговую ДНК, может суще-

ствовать в клетках либо в виде частицы, интегрированной (встроен-

ной) в хромосому, либо в виде автономной цитоплазматической

структуры. В первом случае он воспроизводится синхронно с воспро-

изведением хромосомы клетки, во втором — размножается с той же

скоростью, что и клетка, и при ее делении случайно распределяется

между дочерними клетками. Лизогенная клетка обычно ничем не от-

личается от других клеток, и обнаружить в ней профаг удается лишь

после его активизации под действием тех или иных факторов (радиа-

ция, химические вещества). Под их влиянием он переходит в виру-

лентное состояние, начинает воспроизводиться, используя ДНК клет-

ки-хозяина на построение собственных частиц, и вызывает лизис

клетки.

Особенности наследственных структур

у прокариот

С возникновением клетки живые системы приобрели способность

к обмену веществ и самостоятельному размножению. Усложнение их

биологической организации сопровождалось появлением сначала

клеточной, а затем и ядерной мембраны и одновременным увеличе-

нием молекулярной массы ДНК. Усложнялась и структура наслед-

ственного вещества.

Прокариоты являются одноклеточными доядерными организма-

ми. К ним относятся бактерии и синезеленые водоросли. Размеры и

форма их чрезвычайно разнообразны. Например, размеры бактерий

колеблются от 1 до 5 мкм*. Бактерии могут быть в виде палочек

(Е. coli), шариков (стафилококки), запятой (вибрион холеры) и дру-

гой формы. Часто они имеют органеллы движения — жгутики. Кле-

точная стенка бактерий состоит из муреиновой сети, основу которой

составляют полисахаридные цепи. Муреиновая сеть обеспечивает

жесткость бактериальной стенки и защищает бактерии от механиче-

ских воздействий. Структура клеточной стенки у разных бактерий

неодинакова. По реакции на окрашивание по Граму бактерии делят-

ся на грамотрицательные (краситель вымывается) и грамположи-

тельные (краситель задерживается). У первых (преимущественно

кишечная флора, азотобактер и др.) муреиновая сеть однослойная и

составляет 10 % от всей сухой массы оболочки, у вторых (молочно-

кислые бактерии, стафилококки, стрептококки) — многослойная и со-

ставляет 30—70 % сухой массы оболочки. Кроме муреиновой сети,

грамотрицательные бактерии имеют две мембраны: наружную и

внутреннюю, или цитоплазматическую. Мембраны состоят из фосфо-

липидов и белков, но в наружной мембране их меньше. Во внутренней

мембране находятся дыхательные и окислительно-восстановительные

ферменты, ферменты активного транспорта, а также ферменты, необ-

ходимые для образования компонентов мембраны. Обе мембраны

и муреиновая сеть у грамотрицательных бактерий образуют кле-

точную оболочку (рис. 9). У гра'мположительных бактерий такой

оболочки нет, поскольку у них отсутствует наружная мембрана.

У синезеленых водорослей клеточная стенка 4-слойная: кроме

муреиновой сети, в ней имеются еще внутренний, фибриллярный и

внешний слои.

В цитоплазме прокариот имеются рибосомы, сходные по строению

и функции (участие в синтезе белка) с рибосомами эукариот, но

меньшие по размерам. Наследственный материал прокариотических

клеток представлен одной молекулой ДНК, связанной с незначитель-

ным количеством белка и имеющей кольцевую форму. Он локализует-

* 1 мкм — микрометр= 10

м.

ся в так называемой нуклеарнои

области, неотграниченной четко

от остальной цитоплазмы. Нуклео-

плазма с локализованной в ней

ДНК называется нуклеоидом. На-

следственное вещество прокариот

часто называют хромосомой, хотя

структурно оно значительно отли-

чается от типичных хромосом

эукариот. Прокариоты содержат

только по одной хромосоме и яв-

ляются гаплоидами, т. е. организ-

мами, имеющими одинарный на-

бор генов. Молекулярная масса

ДНК прокариот составляет

2,5 • 10

4= 0,5 • 10

, что соответ-

ствует примерно 2000 структурных

генов, длиной около 1500 пар

азотистых оснований каждый. Ге-

ны располагаются линейно и несут

информацию о структуре примерно

3000—4500 различных белков

(рис. 10).

Рис. 10. Генетическая карта кишечной палочки (по Б. Бэкмену и др., 1976).

Особенности наследственных структур

у эукариот

Эукариоты представляют собой одно- или многоклеточные орга-

низмы, клетки которых имеют оформленное ядро. Размеры и формы

клеток эукариот чрезвычайно разнообразны. Так, у многоклеточных

эукариот (у грибов, растений, животных) размеры клеток колеблют-

ся от 10 до 20 мкм, а у одноклеточных они варьируют от 100 мкм

(амёба) до 5 мм (одноклеточные гигантские водоросли).

Содержимое клетки — цитоплазма — отделено от окружающей

среды цитоплазматической мембраной. Мембрана представляет со-

бой подвижную мозаику, где липиды образуют вязкий двухмерный

растворитель, в который погружены и там закреплены белки (инте-

гральные мембранные белки). Некоторые белки пронизывают мемб-

рану насквозь, другие объединены в агрегаты и образуют в ней

каналы и поры. Кроме интегральных, существуют периферические

мембранные белки. Они рыхло соединены с мембраной. На внутрен-

ней стороне мембраны белки свободны от углеводов, на наружной —

часто имеются углеводы — олигосахариды.

Клетка эукариот содержит три вида органелл, четко отграничен-

ных от цитоплазмы: клеточное ядро, митохондрии и пластиды (у рас-

тений). Кроме того, в цитоплазме имеются цитоплазматический рети-

кулум, рибосомы, аппарат Гольджи и система пузырьковых образо-

ваний, обеспечивающих все жизненно важные процессы клетки

(рис. 11).

Рис. 11. Схема строения растительной (а) и животной (б) клеток (по Э. Либберту,

1982):

Бл — базальный лабиринт; Вак — вакуоль; ГлЭР — гладкий и ГрЭР — гранулярный эндоплазматический

ретикулум; Д — десмосома; КСт — клеточная стенка; Лиз— лизосома; Лип ---липидная гранула; М —

митохондрия; Me—микроворсинки; Мт—микротельца; Мтр—микротрубочки; Пд—плазмодесма; Пл —

пластида; ПМ плазматическая мембрана; Риб — рибосомы; СГ — система Гольджи; Ф — фагосома;

Хр — хромосомы; Ц — центриоль; Я — ядро.

Наследственный материал эукариот локализуется преимуще-

ственно в ядре и представлен хромосомами, состоящими из ДНК, свя-

занной с белком. Ее количество, исходя из расчета на гаплоидный

набор хромосом (см. рис. 3; табл. 1), составляет от Ю

-2

пг* (у дрож-

жей) до 10 пг (у человека).

Природа наследственного вещества у эукариот раскрывалась по

мере расширения возможностей биологической техники. С увеличе-

нием разрешающей способности светового микроскопа в ядрах клеток

были обнаружены интенсивно окрашивающиеся тельца. Эти тельца

появляются только в период деления клетки, потом исчезают, но к

следующему делению возникают вновь. Создается впечатление, что

они на какой-то срок становятся невидимыми. Эти структуры были

детально изучены В. Вальдейером в 1888 г. За способность интенсив-

но окрашиваться они получили название хромосом. Так как хромо-

сомы выявляются под световым микроскопом только во время деле-

ния клетки, изучение их морфологии проводится в период, когда

клетка находится в стадии метафазы митоза, а хромосомы вследствие

интенсивной спирализации становятся хорошо различимыми.

Строение метафазной хромосомы. На стадии метафазы хромосома

представляет собой палочковидное тело плотной консистенции и

выглядит как двойная структура, состоящая из двух нитей одинако-

вого диаметра, называемых хроматидами (рис. 12). При делении

клетки хроматиды расходятся, и тогда можно различить полухрома-

тиды. Форма хромосомы зависит от положения первичной перетяж-

ки — центромеры. В этом месте обе хроматиды тесно объединены.

Центромера является механическим центром хромосомы, к которому

прикрепляются нити веретена в метафазе и анафазе митоза и мейоза.

Расположение центромеры строго постоянно для каждой хромосомы.

Последняя делится ею на два плеча. Участок каждого плеча вблизи

* 1 пг — пикограмм=10

г.

центромеры называется проксимальным, удаленный от нее — ди-

стальным. Концевые отделы последнего называются теломерами. Те-

ломеры препятствуют соединению концов хромосомы и обеспечивают

ее индивидуальность. При потере их хромосома может присоединять-

ся к фрагментам других хромосом, и это приводит к хромосомной

перестройке. Такие явления наблюдаются при облучении, воздей-

ствии химическими веществами и т. д.

В зависимости от расположения центромеры хромосомы делятся

на три типа: метацентрические (равноплечие), субметацентрические

(неравноплечие) и акроцентрические (одно плечо значительно укоро-

чено, иногда до такой степени, что представляет собой лишь тело-

мерный район). У некоторых простейших, насекомых (полужестко-

крылые, равнокрылые), грибов и высших растений встречаются хро-

мосомы с диффузной центромерой, т. е. без четкой ее локализации.

Нити веретена в этом случае прикрепляются вдоль всей хромосомы.

Определенные хромосомы имеют вторичную перетяжку, отделяю-

щую от дистального конца маленький участок — так называемый

спутник. Спутник соединяется с хромосомой тонкой нитью (нить

спутника). Локализация вторичной перетяжки также постоянна.

Вокруг нее формируется ядрышко, поэтому участок перетяжки носит

название ядрышкового организатора. Он несет ответственнось за син-

тез рибосомальной РНК-

Размеры хромосом не зависят от положения организма в

систематическом ряду и варьируют в широких пределах: от 0,2 до

50 мкм. Наиболее мелкие хромосомы описаны у грибов, водорослей;

крупные, иногда гигантские,— у прямокрылых насекомых и амфи-

бий. У человека величина хромосом колеблется от 1,5 до 10 мкм.

В хромосоме имеются генетически инертные районы, поэтому число

генов в ней непропорционально ее длине. Для каждого вида размеры

хромосом, равно как и их форма, относительно постоянны, и это

служит важнейшей видовой характеристикой. Любое изменение

хромосом влечет за собой значительные изменения признаков и

свойств организма. Каждому виду присущ и постоянный набор

хромосом, т. е. совокупность всех хромосом клетки (рис. 13). Количе-

ство хромосом в наборе у особей разных видов варьирует от 2 (лоша-

диная аскарида) или 4 (гапплопаппус) до 1260 (у некоторых папо-

ротников, произрастающих в Индии). У человека в соматических

клетках 46 хромосом.

Различают гаплоидный — одинарный набор хромосом (в зрелых

половых клетках) и диплоидный — двойной (в соматических клет-

ках). Диплоидный набор образуется в результате слияния двух

гаплоидных наборов хромосом материнского и отцовского организ-

мов. Парные хромосомы называются гомологичными. Они проявляют

сходство не только в морфологическом, но и в функциональном

отношении. Гаплоидный набор принято обозначать буквой п, дип-

лоидный — 2п. Совокупность генов в гаплоидном наборе хромосом

называется геномом.

Изменение числа хромосом в наборе приводит к существенным

изменениям признаков. Так, у человека лишняя хромосома по 21-й

паре вызывает развитие болезни Дауна, а избыточная хромосома по

13—18-й парам приводит к таким резким нарушениям в системе

внутренних органов и физическим уродствам, что дети погибают

либо внутриутробно, либо сразу после рождения. Увеличение числа

гаплоидных наборов хромосом у растений (полиплоидия) часто

используется в селекции, так как при этом у них нередко наблюдается

усиление ряда полезных для человека свойств и признаков.

Характерные для каждого вида особенности диплоидного хро-

мосомного набора соматической клетки, касающиеся числа, размеров

и формы хромосом, называются кариотипом (рис. 14). Термин «ка-

риотип» введен советскими учеными Л. Н. Делоне и Г. А. Левитским

в 1924 г. Они же совместно с С. Г. Навашиным предложили и термин

«идиограмма» для обозначения графического изображения совокуп-

ности признаков хромосом: длины и относительных размеров пле-

чей. Идиограмма — это кариотип, представленный в виде диаграм-

мы (рис. 15).

Иногда кариотипы разных видов по морфологии, размерам и коли-

честву хромосом существенно не различаются, и лишь специальные

исследования позволяют установить видовую особенность данного

набора хромосом. Так, представители семейства кошачьих (львы,

тигры, пумы, гепарды, домашние кошки и др.) кариологически

неразличимы, т. е. в их кариотипах насчитывается по 36 хромосом,

и различия сводятся лишь к наличию небольшой хромосомной

перестройки — к инверсиям двух хромосом.

У некоторых видов в клетках встречаются мелкие добавочные,

или ^-хромосомы. Число их у разных видов или даже в разных

тканях одной особи непостоянно. Они не оказывают значительного

влияния на признаки организма, но при наличии большого количе-

ства их может снизиться жизнеспособность или плодовитость особей.

Структура профазной хромосомы. В период интерфазы и профазы

митоза отдельные участки хромосом вследствие различной степени

спирализации и конденсации их при окрашивании специальными

красителями выглядят неодинаково. Одни участки (районы) хромо-

сом окрашиваются меньше (эухроматиновые районы), другие сравни-

тельно интенсивно (гетерохроматиновые районы).

Эухроматиновые районы (эухроматин) представляют собой

деспирализованные генетически активные участки хромосом, содер-

жащие транскрибируемую (способную к транскрипции) ДНК. По-

следняя состоит из уникальных последовательностей, богатых парами

Г—Ц, которые синтезируются в самом начале S-периода синтеза

ДНК (см. гл. 3). В эухроматиновых районах имеются участки конден-

сированной временно неактивной ДНК, так называемые хромомеры,

соединенные между собой неактивными нетранскрибируемыми участ-

ками (рис 16).' При переходе в активное состояние хромомеры

/ич'иирнли.чуются и на их месте образуются петли неконденсирован-

2JH