Воспроизведение на молекулярном и клеточном уровнях

Актуальность темы лекции для будущих врачей заключается в том, что современные данные достаточны для понимания всех главных особенностей феномена наследственности на молекулярном уровне. Все свойства живого организма: активный перенос веществ через клеточные мембраны, передача нервного импульса, мышечные сокращения, в современной медицине должны быть поняты на молекулярном уровне.

Центральным явлением в процессах воспроизведения живого является ауторепродукция наследственных и других структур (ДНК, хромосомы, эписомы, плазмиды) и последующее деление клетки. Эти явления направлены, прежде всего, на то, чтобы дочерние клетки получили всю полноту генетической информации.

Для осуществления ауторепродукции необходимы синтетические процессы в цитоплазме, ведущие к образованию четырех типов нуклеотидов. Необходимы ферменты, для полимеризации полинуклеотидной цепи. Необходимы источники энергии, и др. условия. Синтез молекулы ДНК идет только при использовании обогащённых энергией нуклеотидов, они образуются в результате фосфорилирования, т.е. присоединения к ним пирофосфата АТФ. АТФ играет исключительно большую роль в жизни клетки, ибо она является тем веществом, которое запасает в себе энергию, освобождающуюся в организме при окислении органических соединений, а затем передает её разным молекулам, выполняя таким образом, работу в самых разных процессах клеточного метаболизма. Этот удивительный аккумулятор и переносчик энергии имеет в основе своей структуры адениловую кислоту, входящую в состав нуклеиновых кислот. (у них химическое родство). От АТФ отрывается остаток фосфорной кислоты, который переносится на молекулу другого вещества. Именно эта реакция и лежит в основе активирования нуклеотидов. Неактивированные, они не принимают участие в редупликации ДНК. (В 1953 году Уотсон и Крик заложили основу редупликации). Поэтому в результате разрыва водородных связей между комплементарными основаниями образуются одноцепочные полинуклеотиды ДНК. Каждый из них становится матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Репликация ДНК совершается в два этапа: сначала цепи полностью раскручиваются и разделяются, а затем каждая цепь по отдельности действует как матрица, образуя две новые двуспиральные молекулы ДНК. Эту гипотезу и предложили Уотсон и Крик в 1953г – полуконсервативный способ редупликации. Но это было только гипотетическое предположение. А Мессенсон и Сталь провели опыты на ряде поколений клеток E.Coli. Они использовали тяжелый изотоп азота (N 15). Таким образом, они показали полную правильность гипотезы Уотсона и Крика о полуконсервативном способе репликации ДНК. Но, сам процесс редупликации – сложный, и проходит In vivo.

Что же нужно было доказать следующим этапом? Для синтеза ДНК in vitro так же необходимы все 4 фосфорилированных нуклеотида.

+ наличие особого фермента ДНК-полимеразы. Этот фермент обраружил Конберн. Он обнаружил первый фермент, способный синтезировать ДНК в пробирке и назвал его ДНК-полимераза. И в 1959г он (Корнберг) вместе к Кочуа получил Нобелевскую Премию за исследование механизмов биологического синтеза ДНК и РНК. Какие опыты были проделаны: В пробирку помещали ДНК полимеразу, ДНК-затравку и нуклеотиды. Затравка необходима, т.к. сама полимераза не может определить последовательность нуклеотидов, она способна лишь достраивать регулярную улгеводно-фосфатную часть молекулы. Этот фермент может функционировать только в присутствии ДНК-затравки (короткий участок синтеза, природная ДНК, которая содержится в ядре клетки), которая определяет порядок расположения нуклеотидов в продукте синтеза. Они соединяются друг с другом, образуя новую полинуклеотидную цепь. Таким образом получается две идентичные молекулы ДНК.

Фрагмент ДНК от одной точки репликации то другой точки образует единицу репликации – репликон. Спираль родительской ДНК раскручивается,и ДНК цепи отделяются друг от друга. Происходит разрыв слабых цепей между полинуклеотдиными основаниями. Область расхождения полинуклеотдиных цепей в зонах репликации называется репликационной вилкой. В каждой такой области, при помощи РНК полимеразы к осовбодившимся водородным связям нуклеотидных последовательностей присоединяются свободные нуклеозид-фосфаты из нуклеоплазмы. В опытах так же было установлено, что комплементарные нити ДНК синтезтиоруются в противоположных напрпавлениях, и каждый тип природной ДНК имеет уникальную динуклеотидную последовательность, не определяемую нуклеотидным составом. Вот что еще они выяснили: одна из двух реплицируемых дочерних цепей реплицируется непрерывно, и синтез её идет быстрее, эту цепь назвали лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, она собирается из отдельных фрагментов. Такую цепь назвали запаздывающей. Ферменты сначала разрезают её на отдельные фрагменты (фрагменты Оказаки) (рестриктаза) В 1978 была присуждена Нобелевская премия Смиту и Артберу за это открытие и Натансу. Вейс и Рихардсон открыли фермент ДНК-лигазу (сшивает). Получается, что запаздывающая цепь разрезается на фрагменты Оказаки, а потом сшивается лигазой. Каждый фрагмент реплицируется отдельно, а потом происходит сшивание всех фрагментов в единую цепь. Полностью была подтверждена гипотеза Уотсона и Крика о структуре хромосомы и ДНК, и её репликации после разделения нитей посредством образования комплементарных нитей. Репликация ядерной ДНК происходит в синтетический период интерфазы (S). Ауторепродукция хромосом и последующее деление клетки направлены на то, чтобы дочерние клетки получили всю полноту генетической информации клетки. Чередование этих процессов составляют всю важность клеточного цикла. Клеточный цикл означает многократное повторение последовательных событий, занимающих определенный отрезок времени. Обычно, циклические процессы обозначают в виде окружностей. Клеточный цикл состоит из трех главных стадий: интерфазы, митоза и цитокенеза. Интерфаза включает G1 пресинтетический период, далее S синтетический, и G2 постсинтетический периоды. По времени длительность G1 – 4ч, далее S 7-8ч, потом G2 около 1ч. Митоз включает 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Профаза – самая продолжительная. На этой фазе интерфазные деконденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму. Следующая – метафаза. Уже в профазе начинается образование веретена деления с участием центриолей и микротрубочек. Веретено деления обеспечивает выстраиваение d-хромосом в одной плоскости – середине клетки. Ядерная оболочка, распавшаяся в конце профазы, в метафазе не восстанавливается. D-хромосомы располагаются в экваториальном центре клетки, их называют хромосомной пластинкой. Следующая – анафаза. Начинается с расщепления центромерной области каждой из хромосом, в результате чего 2 S хромосомы полностью отделяются друг от друга. Благодаря этому, каждая дочерняя клетка получает по 46 хромосом. После разделения центромер, одна из S хромосом начинает двигаться к северному полюсу, вторая – к южному.

Телофаза – у каждого полюса происходит деспирализация хромосом. Наконец, наследственное вещество принимает глобул хроматина, либо упакованных, либо нитей. Вновь формируется ядрышко, кариоплазма, и ядерная оболочка. Вслед за делением ядра происходит деление цитоплазмы. Процесс цитокенеза обеспечивается образованием в картикатльном слое животных клеток сократимого кольца из микрофиламентов. Эти структуры состоят из белков актина и миозина, способных к сокращению. Сокращаясь, они обеспечивают деление цитоплазмы путем инвагинации плазмолеммы. Таким образом, получается две дочерние клетки, являющиеся копией материнской клетки. В 2001г Нобелевскую премию Ли Хартвелл, Тимати Ханн и Пауль Нельс за изучение механизмовклеточного деления. Ли Хартвелл по образованию инженер, закончил Калифорнийский технологический институт. Сначала он выбрал физику, но вскоре он оказался настолько восхищен открытием структуры ДНК, что занялся биологией. Параллельно он получил степень доктора философии в Массочусетском технологическом институте. В 1965-68гг он работает в Калифорнийском университете. В 1970 он переезжает в Вашингтон и занимается экспериментом на дрожжах. Гены дрожжей, отвечающие за цикл клеточного деления, и обнаруживает такие же гены у человека, и самое главное, что мутации в этих генах вызывают онкологические заболевания. В 1966г он переходит в онкологический исследовательский центр Фреда Хатченса, а в последующем стал его директором.

Хант Тимоти. Сэр – принадлежность к дворянскому (королевскому роду). Родился 1943г, британский биохимик. Он, независимо от Ли Хартвела открыл регуляцию клеточного цикла эукаритом веществом циклином и циклинозависимыми киназами.

Нерс Полл, он британский биохимик. Президент королевского общества, президент Рокфеллеровского университета. Окончил Бернингемский университет в 1970. В 1973г получил степень доктора философии. 1976г. Нерс идентифицировал cdc2 дрожжей, ген, который контролировал клеточный цикл, переход от G1 к синтетической фазе S, и от G2 к митозу. А в 1987г он обнаружил гомологичный ген у человека CDK1, кодирующую циклин-зависимую киназу. Его награды 1979 член королевского общества. 1999 королевская медаль, 1995 иностранный член национальной академии наук США, 1998 премия А. Ласкера (дается докторам) за фундаментальные медицинские исследования, 2001 лауреат Нобелевской премии вместе с Хантом и Хартвеллом. В 2002г он получил орден почетного легиона. А в 2006, он – иностранный почетный член американской академии искусств и наук.

Применение:

Несмотря на то, что это чисто теоретическое исследование, оно сразу нашло применение. Механизмы образования раковой опухоли. Изучая механизмы размножения, которые присущи каждой из 100тыс. миллиардов клеток, составляющей целостный человеческой организм, все клетки постянно делятся, и при этом удваивают геном дочерних клеток, в норме в здоровом организме. Когда этот процесс нарушается, клетки начинают делиться бесконтрольно и неограниченно. Возникает и разрастается раковая опухоль, которая является смертельной угрозой для организма. Важным звеном в понимании механизма клеточного деления, стали исследования биохомика Т. Ханта. Он открыл существование особого класса биомолекул – циклинов, которые регулируют деятельность белка. Белок был открыт Паулем Нерсом. Он останавливает в нужный момент клеточное деление. Включается в нужный момент под действием под действием циклина в нужный момент. Эти ученые открыли гены, индуцирующие клеточные стадии деления, выявили и идентифицировали белок, кодируемый этими генами, и, наконец, обнаружили и изучили биологические регуляторы активности этого белка. В результате этих, казалось бы, чисто теоретических исследований, выявлены точные цели для лечебного воздействия при раке: а именно: совершенно определены гены, открытые авторами, специфический белок, кодируемый этими генами, активные биомолекулы – циклины. Воздействуя на эти цели, можно добиться прекращения бесконтрольного клеточного деления, или даже восстановления нормального ритма клеточного деления, т.е. излечения рака. Прекрасным примером такого рода является рождение на свет, и внедрение в лечебную практику первого препарата для лечения хронической миеловидной лейкемии. (STI571). Другое название – гиллмек. Известно, что в США ежегодно регистрируется до 10000 новых случаев этого тяжелейшего онкологического заболевания. Эффективных средств лечения миелоидных лейкемий до сих пор не было. По результатом недавно закончившихся клинических испытаний, у 90% больных, находящихся в первой фазе заболевания, под влиянием гиллмека наступило отчетливое и стойкое улучшение. Как же действует гиллмек?

Установлено, что реальной причиной возникновения этого заболевания является активность особого патогенного белка, кодируемого измененными, мутантными участками хромосом. Именно этот белок вызывает образование огромного количества недозрелых, и по сути своей, злокачественных, белых кровяных телец, что приводит к многообразным и вредоносным изменениям различных органов и систем организма в целом, формирует клиническую картину миелоидной лейкемии. Гиллмек блокирует сигналы, которые несет патогенный белок, и тем самым предотвращает возникновение, созревание и рост злокачественных лейкоцитов. Препарат не препятствует синтезу самого белка, а лишь блокирует его сигналы, но этого оказывается достаточно для того, чтобы оказать выраженный лечебный эффект при таком тяжелом заболевании, каким является хроническая миелоидная лейкемия. Эффективных средств лечения хронических миелоидных лейкемий до сегодняшнего дня не существовало. Единственный метод – пересадка костного мозга донора, которая в 40% вообще летальна. Что касается известных лекарственных препаратов, то ни один из них не способен уменьшить количество ненормальных, злокачественных лейкоцитов, синтезируемых в организме больного, и восстановить нормальное кровообращение.

Митоз – неравномерное деление клетки, но, и митоз является основой гомеостаза организма. А вот Амитоз – причина нарушения гомеостаза. Амитоз – равномерное деление клетки. Многочисленные исследования показали, что амитоз встречается в отживших, дегенерирующих, или неспособных дать дальнейших полноценных элементов. Амитоз в стареющих клетках злокачественных опухолей сопровождается нарушением биосинтетических процессов, включая: репликацию, репарацию ДНК, атакже транскрипцию и трансляцию. Изменяются физико-химические свойства ядер клеток, состав цитоплазмы, структура и функции органоидов, что влечет за собой функциональные нарушения на всех уровнях. Нарушения наблюдаются на клеточном, тканном, органном и организменном уровнях. По мере увеличения деструкции наступает естественная смерть клетки. Иногда амитоз встречается в норме в зародышевых клетках животных, в зародышевых клетках – трофобластах. Положительное значение амитоз имеет в регенерации. С позиции цитогенетики, амитоз – деление клетки, у которой ядро находится в интерфазном состоянии. При этом не происходит конденсации хромосом и образования веретена деления. Формально, амитоз должен к привести к появлению двух клеток. Однако, чаще всего он приводит к появлению двух, или многоядерных клеток. Таким образом, амитоз – нарушение гомеостаза.

Гомеостаз – способность организма сохранять равновесие своей внутренней среды в условиях постоянно изменяющейся окружающей среды.

Здоровье – гомеостаз всей внутренней среды организма, а болезнь – дисгомеостаз.

Здоровье поддерживается на основе генетически детерменированной нормы реакции, обеспечивающей гомеостаз при умеренном воздействии факторов среды. Болезнь обусловлена усиленным действием факторов среды, которые выходят за пределы возможной нормы реакции. Болезнь обусловлена генетически уменьшенной нормы реакции, при которой дисгомеостаз возникает при умеренном воздействии факторов среды.

Date: 2015-09-25; view: 1633; Нарушение авторских прав