Деление клетки

При рассмотрении клетки в обычный световой микроскоп видно, что границы ее четко очерчены, так

как она имеет оболочку. Часто в клетках заметно ядро, также имеющее оболочку. В некоторых клетках ядра не видно, но различаются структуры, названные хромосомами. Основной структурный материал хромосом (90% массы) - дезоксирибонуклеопротеид (ДНП), то есть комплекс, состоящий из белка и ДНК. Отдельные участки хромосом, ответственные за проявление определенных признаков, называются генами.

Нити ДНК можно видеть в электронный микроскоп при увеличении в 7 300 ООО раз, когда они действительно выглядят в виде спирали.

Почему в одних клетках хромосомы видны, а в других нет? Ведь они есть во всех клетках, исключая эритроциты, поскольку последние представляют собой безъядерные образования.

Оказывается, мы можем наблюдать хромосомы с помощью микроскопа только в том случае, если они сжаты, спирализованы, плотно упакованы. В период делений клетки ядерная оболочка растворяется, а хромосомы укладываются в спираль, хорошо окрашиваются специальными красителями и становятся видимыми в световой микроскоп. Далее хромосомы располагаются по экватору клетки, делятся и расходятся к разным полюсам. Делится и цитоплазма. Хромосомы вновь деспирализуются (раскручиваются) и затем образуют ядерную оболочку. Так из одной материнской клетки образуются две дочерние, совершенно подобные. Интересно, что количество ДНК не уменьшается, а остается прежним, так как до начала делений происходит ею удвоение. Такое деление получило название клеточного митоза.

Надо отметить, что хромосомы в клетках обнаружены учеными давно. В 1902-1935 годах Т. Г. Морганом и его школой сформулирована хромосомная теория наследственности. Было известно, что для одного и того же вида животных и растений количество хромосом одинаково во всех клетках, кроме половых; у разных же видов количество хромосом различно. Так, у мыши их 40, крысы - 42, лисицы - 34, свиньи - 38, кролика - 44, человекообразной обезьяны - 48, осла - 62, лошади - 64, дрозофилы - 8, но только в 1956 году удалось определить, что у человека в клетках содержится 46 хромосом (44 аутосомы и 2 половые хромосомы), до этого времени считалось, что их 48, как и у обезьяны.

Точный анализ хромосом удалось провести благодаря тому, что наука обогатилась новыми методическими приемами для приготовления препаратов.

Так, в 1959 году была установлена одна из хромосомных аномалий у человека - синдром Клайнфельтера. Характерные признаки болезни: высокий рост, увеличение молочных желез, атрофия яичек, легкая форма дебильности и другие. Причина появления этого синдрома - наличие 'чаще всего лишней X- хромосомы в генотипе больного (44 + XXY). Интересно, что в 1949 году М. Барр обнаружил, что в ядре не делящейся клетки имеется интенсивно красящееся тельце, которое и было названо именем ученого - тельцем Барра (половой хроматин). Это тельце присутствует только в клетках женщин и отсутствует в клетках здоровых мужчин. Позднее было установлено, что при наличии двух Х-хромосом в клетке одна из этих хромосом находится в плотно сжатом состоянии, образуя тельце Барра. У мужчин с синдромом Клайнфельтера в ядрах клеток также обнаруживается тельце Барра из-за "лишней" Х-хромосомы.

В каждой клетке организма человека или животного имеется по две хромосомы каждого типа одного размера и одинаковой формы (и& называют гомологичными), одна из них получена от отца, а другая от матери. Чтобы число хромосом не возрастало от одного поколения к другому, в половых клетках (гаметы) их должно быть вдвое меньше, чем в зиготе (оплодотворенная яйцеклетка).

Действительно, так оно и есть. Уменьшение числа хромосом вдвое происходит в результате особого клеточного деления - мейоза, наблюдающегося при образовании гамет. При мейозе каждая из хромосом, как и при митозе, вначале удваивается, гомологичные хромосомы сближаются, образуя пары. Этот процесс носит название конъюгации хромосом. Хромосомы вытягиваются (деспирализуются), что обеспечивает тесное сближение их отдельных участков. При этом в некоторых местах наблюдается перекручивание хромосом, составляющих пару. Затем, вследствие спирализации, конъюгирующие хромосомы укорачиваются, располагаются по экватору клетки и в анафазе (стадия деления ядра) сближенные ранее гомологичные удвоенные хромосомы расходятся к разным полюсам. Таким образом, к каждому полюсу отходит лишь одна из пары гомологичных хромосом. Обычно вслед за этим сразу начинается второе деление, но у человека эти два деления (в мейозе) сильно разделены во времени.

Итак, в отличие от обычного деления (митоза) в мейозе ядро делится на два, а хромосомы удваиваются один раз. В результате двух мейотических делений из одной клетки образуется четыре, число хромосом в которых уменьшено вдвое; они содержат не двойной (диплоидный - 2n), а одинарный (гаплоидный - n) набор хромосом (рис. 3). При оплодотворении в результате слияния двух гаплоидных гамет (материнской и отцовской) в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом (2n).

Рис. 3. Образование сперматозоидов (а) и яйцеклетки (б) у человека

Сколько материнских и сколько отцовских хромосом получит каждая гамета? Это очень важно, так как оказывается, что хромосомы, полученные от отца и матери, рекомбинируются (обмениваются участками) в процессе мейоза совершенно свободно. При расхождении гомологичных хромосом к одному полюсу могут отойти две материнские, а к другому - две отцовские. Но с равной вероятностью могут образоваться и другие комбинации: к каждому полюсу отойдут одна материнская и одна отцовская хромосомы. А если хромосом 23 пары (например, у человека), то сколько же разных комбинаций может возникнуть в гаметах? Наследственные особенности определяются генами, находящимися в хромосомах. Каждый участок хромосомы (ген) оказывает свое специфическое влияние на развитие организма. Мейоз обеспечивает возникновение огромного разнообразия образования гамет, сочетая признаки родителей и их предков в последующих поколениях.,

Это разнообразие увеличивается еще и тем, что в процессе конъюгации гомологичные хромосомы обмениваются участками, наследственные особенности которых не всегда одинаковы. Первоначальное предположение о каком-то определенном расположении генов в хромосомах возникло тогда, когда на модельных объектах было установлено, что некоторые конкретные признаки, обусловленные генами, наследуются связанно друг с другом. Тенденцию признаков наследоваться совместно, а не порознь назвали сцеплением. Групп сцепления столько, сколько пар хромосом у конкретного вида. Ученые, тщательно изучив закономерности появления различных признаков при гибридизации у животных и растений, обнаружили, что сцепление признаков характерно как для животных (в том числе и для человека), так и для растений.

В результате анализа сцепления и связанного с ним процесса обмена участками конъюгирующих хромосом в каждой паре (одна хромосома -от отца, другая - от матери) установлено, что гены в хромосомах расположены в линейном порядке.

В настоящее время подтверждено не только линейное расположение генов в хромосомах, но и выяснена их сложная химическая структура в виде огромных молекул ДНК. Сейчас принято считать, что ген - это линейная последовательность пар нуклеотидов (от нескольких сот до тысячи и даже более, так как разные гены сильно различаются по количеству нуклеотидов), кодирующая определенную функцию, а хромосома - линейная последовательность генов.

Основные закономерности наследования признаков были описаны еще в 1865 году Г. Менделем, и в дальнейшем было показано, что они основаны на расхождении хромосом в мейозе. Поскольку мейоз характерен для всех организмов, размножающихся половым путем, закономерности наследования у них общие.

Итак, мы выяснили, что наследственный материал распределяется при делении поровну. Однако при репликации (удвоение) генетического материала, хотя и редко, происходят ошибки. Более того, таким путем проб и ошибок шла вся эволюция живых организмов. Некоторым из таких ошибок - отклонениям от "нормальной" генетической программы развития, которые происходят всегда и на всех уровнях жизни, обязан прогресс организмов, видов, родов, семейств. Порой изменения как бы сообщают организму дополнительные возможности, а значит, преимущества. Изменения, происходящие в наследственных структурах (ДНК), влияют на развитие и проявление новых признаков, новых морфологических, физиологических или биохимических особенностей.