Медицинская биология

Ядро окружено двумя мембранами: наружной и внутренней. Между ними — узкое перинуклеарное пространство. В оболочке есть поры — они не просто дырки, а сложные белковые конструкции. Чем активнее клетка, тем пор больше.

Через поры активно (с затратой энергии) перекачиваются крупные молекулы: РНК наружу, белки внутрь. Мелкие ионы и сахара диффундируют пассивно.

Функции оболочки: отделять ядро от цитоплазмы, регулировать транспорт веществ и обеспечивать ядерно-цитоплазматическое взаимодействие.

Компоненты ядра в интерфазе: ядерная оболочка, ядерный матрикс, ядерный сок (кариоплазма), ядрышко и хромосомы.

Ядерный матрикс — внутренний белковый каркас ядра, сеть нитей-фибрилл. Это «скелет», на котором всё держится. Выполняет опорную функцию и организует хроматин в пространстве.

Ядрышко — плотный округлый участок ядра без мембраны. Состоит из белков и РНК.

Функция: синтез рибосомных РНК (рРНК) и сборка субъединиц рибосом. Проще говоря — фабрика по производству рибосом.

У человека ядрышки образуются в акроцентрических хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22-й пар — там, где находятся гены рРНК (во вторичных перетяжках).

Два механизма параллельно:

1. Активный транспорт — требует энергии и белков-переносчиков. Через ядерные поры проходят крупные молекулы: РНК — наружу (в цитоплазму), белки — внутрь (в ядро).

2. Пассивная диффузия — маленькие молекулы (ионы, метаболиты) просто проникают через канал поры сами, без затрат энергии.

У каждой цепи ДНК есть направление: 5′-конец (где фосфатная группа «свободна» у 5-го атома) и 3′-конец. Считывать информацию принято от 5′ к 3′.

Двойная спираль состоит из двух цепей, которые идут навстречу друг другу: одна 5′→3′, другая 3′→5′. Это и есть антипараллельность. Представь две параллельные улицы с движением в разные стороны.

Два основания могут спариваться только «правильными» парами: аденин — тимин (А=Т), связаны двумя водородными связями; гуанин — цитозин (Г≡Ц), тремя.

Это химическое сродство держит обе цепи вместе. Из этого же свойства вытекает ключевая роль ДНК: если знаешь последовательность одной цепи — полностью знаешь другую. На этом держится репликация и репарация.

Ген — участок ДНК, несущий информацию об одном белке (или функциональной РНК — рРНК, тРНК).

Геном — вся ДНК гаплоидного набора хромосом (т.е. одного экземпляра каждой хромосомы). У человека — 23 хромосомы в гаплоидном наборе, 46 в диплоидном (соматические клетки).

Около 3,3 × 10⁹ пар нуклеотидов — примерно 3 миллиарда «букв». Если вытянуть всю ДНК из одного набора хромосом в нитку — получится около 1 метра. А в каждой клетке их два набора — то есть 2 метра ДНК упаковано в ядро диаметром несколько микрометров.

Только ~2% генома человека кодирует белки — всё остальное называют «избыточной» ДНК. Но это не мусор: некодирующая ДНК участвует в регуляции активности генов, служит источником для создания новых генов в эволюции, участвует в организации хромосомы.

Уникальные гены эукариот состоят из экзонов (кодирующие участки, которые попадут в белок) и интронов (некодирующие вставки между экзонами, которые вырезаются при созревании мРНК).

В среднем в гене около 8 экзонов, но максимум доходит до 364. Экзоны составляют около 1,5% генома, интроны — около 24%.

Занимают 10–15% ядерной ДНК. Встречаются сотни и тысячи раз. К ним относятся гены рРНК и гены гистонов. Гены гистонов организованы блоками: 5 генов в одном блоке (H1, H2A, H2B, H3, H4), разделённых некодирующими спейсерами.

Занимают 25–28% ядерной ДНК. Повторяются сотни тысяч и миллионы раз — каждый блок очень короткий (несколько пар нуклеотидов). Это ДНК структурного гетерохроматина: центромеры и теломеры. Белков не кодируют — несут структурную функцию.

У прокариот: нет интронов, гены непрерывные, ~90% ДНК кодирует что-то, повторов почти нет.

У эукариот: гены занимают ~30% ДНК, а белок-кодирующие участки (экзоны) — только ~1,5–3%. Остальное — интроны, регуляторные и повторяющиеся последовательности.

Кольцевая молекула ДНК, 16 568 пар нуклеотидов. Очень компактная: нет интронов, всё кодирующее. Содержит 13 генов белков, 22 гена тРНК и 2 гена рРНК. Составляет ~10% всей ДНК животной клетки. Напоминает бактериальную ДНК — что логично, ведь митохондрии произошли от симбиотических бактерий.

Хроматин — это ДНК в упакованном виде, «нитки на катушках». Состав: ДНК (35%) + белки (65%) + немного РНК, липидов, ионов Ca и Mg.

Белки делятся на гистоны (80% белков, основные, богаты лизином и аргинином — благодаря положительному заряду крепко держат отрицательно заряженную ДНК) и негистоновые (регулируют работу генов, ферментативные).

Пять типов: H1, H2A, H2B, H3, H4. Их гены не содержат интронов.

Структурная роль: H2A, H2B, H3 и H4 формируют ядро нуклеосомы («катушку»); H1 запечатывает ДНК на выходе и участвует в дальнейшей компактизации в соленоид.

Регуляторная роль: своим положительным зарядом прижимают ДНК, препятствуя считыванию. Чтобы ген заработал — гистоны нужно «сдвинуть».

1. Нуклеосомы («бусы на нитке»)

2. Соленоид (30-нм фибрилла)

3. Хроматиновые петли (300 нм)

4. Хроматиды (700 нм)

5. Метафазная хромосома — максимум уплотнения (для деления)

Нуклеосома — базовый «кирпичик» хроматина. ДНК делает ~2 оборота вокруг октамера из гистонов (по 2 молекулы H2A, H2B, H3, H4) — как нитка на катушке. Между соседними нуклеосомами — линкерная ДНК.

Результат: ДНК укорачивается в 7 раз. Под электронным микроскопом — картина «бусины на нитке».

Нуклеосомная нить (10 нм) скручивается в спираль — соленоид. Её стабилизирует гистон H1. Диаметр соленоида — 30 нм. ДНК укорачивается уже в 50 раз.

Соленоид (30 нм) образует петли — домены размером до 300 нм. Укорочение ДНК — уже в 1 000 раз. Этот уровень характерен для интерфазного ядра (когда клетка не делится). На этом уровне могут работать гены.

4-й уровень: петли ещё более компактизируются в хроматиды (700 нм). Видны в начале деления.

5-й уровень: метафазная хромосома — максимальное уплотнение. ДНК укорачивается в 10 000 раз. Это нужно, чтобы хромосомы можно было точно растащить к полюсам при делении клетки.

Центромера — перехват, делящий хромосому на два плеча. Функции:

— удерживает сестринские хроматиды вместе до нужного момента;

— обеспечивает прикрепление нитей веретена деления через кинетохоры;

— выстраивает хромосомы по экватору клетки в метафазе;

— контролирует старт анафазы (есть «сторожевой» контрольный пункт).

В центромере сосредоточен структурный гетерохроматин.

1. Метацентрические — центромера посередине, оба плеча примерно равны.

2. Субметацентрические — центромера немного смещена, плечи неравные.

3. Очень субметацентрические — сильное смещение.

4. Акроцентрические — одно плечо очень маленькое, второе длинное. У человека такие хромосомы (13, 14, 15, 21, 22) несут ядрышки.

Располагаются во вторичных перетяжках коротких плеч спутничных акроцентрических хромосом 13–15, 21 и 22 пар. Здесь сосредоточены гены рРНК — отсюда «вырастает» ядрышко. Выявляются окраской нитратом серебра.

Теломеры — «шапочки» на концах хромосом, состоящие из множества повторов короткой последовательности (ТТАГГГ)n.

Функции: защищают концы хромосом от ферментов-«поедателей» (экзонуклеаз), обеспечивают полную репликацию хромосомы, прикрепляют хромосому к ядерному матриксу, участвуют в конъюгации гомологов в мейозе.

Постоянно плотно упакованные участки хромосом — центромеры, теломеры, некоторые внутренние блоки. Генетически инертен — активных генов здесь нет. Состоит из высокоповторяющихся последовательностей. Роль — структурная: поддерживает организацию хромосомы.

Факультативный гетерохроматин — это эухроматин, который временно упакован и «выключен». В других клетках или условиях тот же участок может быть активен.

Классический пример: тельце Барра — одна из двух X-хромосом у женщин инактивируется и конденсируется в плотный комок (тельце Барра на периферии ядра). Это механизм «уравнивания дозы» X-сцепленных генов между мужчинами и женщинами.

Эухроматин — «рабочий» хроматин: разрыхлённый, слабо окрашивающийся. Именно здесь находятся транскрибируемые (работающие) гены. Только в деспирализованном состоянии РНК-полимераза может «прочитать» ДНК.

Кариотип — полный хромосомный набор соматической клетки: число, размер и форма хромосом. Это видоспецифический признак.

У человека: 46 хромосом = 22 пары аутосом + 1 пара половых (XX у женщин, XY у мужчин).

Клетки обрабатывают митогеном → останавливают деление колхицином на метафазе → красят специальными красителями. Получается уникальный паттерн поперечных тёмных и светлых полос (бэнды) — как штрих-код для каждой хромосомы.

Позволяет: точно идентифицировать каждую из 46 хромосом и выявлять микроделеции / перестройки, невидимые при простом окрашивании.

Бэнд — поперечный сегмент хромосомы, отличающийся по интенсивности окраски.

Обозначение 1p31 читается так: хромосома 1, плечо p (короткое, от фр. «petite»), 3-й район, 1-й бэнд в этом районе.

Группа A (хр. 1, 2, 3): самые крупные, метацентрические (равноплечие).

Группа B (хр. 4, 5): крупные, субметацентрические (плечи немного неравные).

Группа C (хр. 6–12 + X): средние субметацентрические. Самая большая группа — поэтому трудно различить без бэндинга.

Группа D (хр. 13, 14, 15): средние акроцентрические со спутником. Несут ядрышки.

Группа E (хр. 16, 17, 18): маленькие (16 — метацентрик, 17–18 — субметацентрики).

Группа F (хр. 19, 20): маленькие метацентрики.

Группа G (хр. 21, 22, Y): самые маленькие акроцентрики. 21 и 22 — со спутником (несут ядрышки), Y — без спутника.

Жизненный цикл клетки — от момента её рождения (при делении) до собственной гибели или очередного деления. Включает возможный период покоя.

Митотический цикл — только активная часть: подготовка к делению (интерфаза) + само деление (митоз).

Интерфаза = G1 + S + G2.

G1 (пресинтетический, 30–40% времени): ДНК ещё не копируется, зато идёт интенсивный синтез белков, РНК, органелл и запасов АТФ. Набор: 2n2c. Если клетке «незачем» делиться, она уходит в спячку — фазу G0.

При копировании ДНК каждая из двух родительских цепей служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Итог: из одной двойной спирали получаются две — и в каждой одна «старая» цепь + одна «новая». Ни одна молекула не берётся из воздуха — наследственная информация сохраняется.

Репликон — минимальная единица репликации: участок ДНК от точки начала (ori) до терминатора. У прокариот — один.

Полирепликон — хромосома эукариот с тысячами точек ori. Репликация идёт одновременно во многих местах, что позволяет скопировать 1 метр ДНК за разумное время (часы, а не годы).

Геликаза — «расстёгивает» двойную спираль, разрывая водородные связи.

Праймаза — синтезирует короткий РНК-праймер (затравку).

ДНК-полимераза — присоединяет новые нуклеотиды по матрице (только от 5' к 3').

ДНК-лигаза — «сшивает» фрагменты Оказаки на отстающей цепи.

Репликация начинается в точке ori. Спираль «расстёгивается» в обе стороны — получается «репликационный глазок» с двумя вилками, движущимися навстречу друг другу. Синтез новой ДНК идёт строго по правилам комплементарности.

ДНК-полимераза синтезирует цепь только от 5' к 3'. Из двух цепей матрицы одна идёт «в нужном» направлении — на ней синтез непрерывный (лидирующая цепь). Вторая идёт «не туда» — на ней синтез идёт рывками, короткими фрагментами Оказаки, в сторону от вилки (отстающая цепь). Поэтому вилка несимметрична.

Праймер — короткий (~10 нуклеотидов) стартовый фрагмент РНК. Нужен потому, что ДНК-полимераза не умеет начать синтез с нуля — ей нужен готовый свободный 3′-OH конец, к которому можно присоединять следующий нуклеотид.

ДНК-полимераза умеет «проверять себя»: если встроила неправильный нуклеотид, она шагает назад, вырезает ошибку и ставит правильный. Это её экзонуклеазная активность. Благодаря этому частота ошибок при репликации ничтожна.

Синтез гистонов в цитоплазме жёстко синхронизирован с репликацией ДНК в S-фазе. Сразу после синтеза гистоны транспортируются в ядро и упаковывают новую ДНК. Если репликация остановилась — мРНК гистонов немедленно разрушается (за минуты). Всё точно в срок.

Линейную хромосому нельзя скопировать до самого конца: когда крайний РНК-праймер удаляется, ДНК-полимераза уже не может достроить этот кончик (ей нужна матрица впереди, а её нет). Хромосома после каждого деления слегка укорачивается с конца.

Лимит Хейфлика — клетка может делиться примерно 50 раз, потом теломеры укорачиваются до критического уровня и клетка запускает апоптоз (программную смерть). Это «молекулярные часы».

Теломераза — фермент, достраивающий теломеры. Активна в стволовых, эмбриональных и раковых клетках — поэтому они делятся «вечно».

G2 — финальная подготовка к делению. Синтезируются белки тубулины (из них будет построено веретено деления), накапливается АТФ, удваивается масса цитоплазмы. Набор хромосом: 2n4c — хромосомы уже двойные, каждая состоит из двух хроматид.

Хроматин конденсируется — хромосомы становятся видимыми. Центриоли расходятся к полюсам и начинают строить веретено деления. Ядрышки исчезают. Цитоплазма уплотняется.

Ядерная оболочка распадается на пузырьки. Нити веретена проникают к хромосомам и цепляются за кинетохоры. Хромосомы начинают хаотично двигаться, постепенно выстраиваясь к центру.

Кинетохоры — белковые «швартовочные площадки» на центромерах хромосом. К ним прикрепляются нити веретена деления. Без кинетохоров хромосомы не могут правильно разойтись: одни уйдут в одну клетку, другие — нет. Ещё кинетохоры контролируют «стоп-сигнал» — анафаза не начнётся, пока хотя бы один кинетохор не прикреплён.

Хромосомы максимально уплотнены (лучшее время для кариотипирования!) и выстраиваются строго по экватору — «метафазная пластинка». Нити веретена симметрично натянуты от обоих полюсов к каждой хромосоме.

По сигналу расщепляются белки-когезины, удерживающие сестринские хроматиды. Центромеры расщепляются, и хроматиды (теперь самостоятельные хромосомы) синхронно расходятся к полюсам по мере укорочения нитей веретена. На каждом полюсе — полный диплоидный набор: 4n4c (48 хромосом, каждая однохроматидная).

Всё в обратном порядке от профазы: хромосомы деспирализуются, вокруг каждого хромосомного набора собирается новая ядерная оболочка, появляются ядрышки. Завершается цитокинезом — делением цитоплазмы. Итог: две дочерние клетки с набором 2n2c.

Внутриклеточный уровень: циклины, ионы кальция, цАМФ.

Тканевой уровень: кейлоны — белки, которые тормозят деление в своей же ткани.

Межтканевой: факторы роста (EGF, FGF).

Организменный: гормоны (соматотропин, тиреоидные гормоны) и нейромедиаторы.

Амитоз — «прямое деление» ядра путём простого перетяжки, без спирализации хромосом и без веретена деления. ДНК делится неравномерно — это не точный механизм.

Встречается в старых клетках, злокачественных опухолях, дифференцированных клетках (гепатоциты). Не является нормальным способом размножения.

1. Первичная (оволемма) — синтезируется самой яйцеклеткой.

2. Вторичная (блестящая оболочка, zona pellucida) — образована фолликулярными клетками. Это зона узнавания сперматозоида.

3. Третичная (лучистый венец, corona radiata) — слой фолликулярных клеток поверх zona pellucida. Питает и защищает яйцеклетку.

Изолецитальные — мало желтка, распределён равномерно. Человек, большинство млекопитающих, ланцетник.

Телолецитальные умеренные — желток сдвинут к вегетативному полюсу. Амфибии.

Телолецитальные резкие — желтка очень много, он занимает почти всю клетку. Рыбы, рептилии, птицы.

Центролецитальные — желток в центре вокруг ядра. Насекомые.

Клетка «оптимизирована» — лишнего ничего нет:

Головка: гаплоидное ядро + акросома с ферментами (для пробивания оболочек яйцеклетки).

Шейка: центриоли.

Средняя часть: спираль из митохондрий — энергетический мотор.

Хвост (жгутик): микротрубочки — для движения.

1. Размножение — митоз гоний (2n2c).

2. Рост — клетка увеличивается, ДНК реплицируется → 2n4c.

3. Созревание — мейоз I даёт клетки II порядка (n2c), мейоз II даёт гаметы (n1c).

4. Формирование — только у самцов: спермиогенез (превращение сперматиды в сперматозоид).

Лептотена («тонкие нити») — первая стадия профазы I. Хромосомы впервые становятся видны в световой микроскоп как тонкие нити. Они уже двухроматидные (реплицировались в S-фазе). Начинается уплотнение хроматина.

Зиготена («сливающиеся нити») — гомологичные хромосомы находят друг друга и «застёгиваются» вдоль всей длины с помощью синаптонемального комплекса (белковая «молния»). Этот процесс называется синапсис. Образуются биваленты (тетрады — 4 хроматиды вместе).

Пахитена («толстые нити») — синапсис завершён, хромосомы максимально укорочены. На этой стадии происходит кроссинговер: несестринские хроматиды гомологичных хромосом обмениваются участками в точках перекрёста — хиазмах. Это ключевой генетический процесс мейоза.

Диплотена («двойные нити») — синаптонемальный комплекс распадается, гомологи начинают отталкиваться, но удерживаются в местах кроссинговера — хиазмах. Хромосомы приобретают форму «X», «O», «8» в зависимости от числа хиазм. У яйцеклеток человека эта стадия длится годами (диктиотена).

Диакинез («движение врозь») — максимальное уплотнение хромосом, хиазмы «сползают» к концам (терминализация). Разрушается ядерная оболочка, формируется веретено деления. Биваленты прикрепляются к нитям веретена.

В пахитене несестринские хроматиды гомологичных хромосом физически обмениваются участками ДНК. Это перетасовывает аллели отцовских и материнских хромосом.

Значение: создаёт новые уникальные комбинации генов (комбинативная изменчивость) — топливо для эволюции и источник биоразнообразия.

Биваленты (пары гомологичных хромосом) выстраиваются по экватору клетки. Центромеры гомологов смотрят к разным полюсам. Нити веретена присоединяются к кинетохорам. Набор в клетке: 2n4c — 46 хромосом, каждая из 2 хроматид.

К полюсам расходятся целые двухроматидные хромосомы (не хроматиды!). Это принципиальное отличие от анафазы митоза. Происходит редукция — число хромосом уменьшается вдвое. Набор у каждого полюса: n2c — 23 хромосомы, каждая ещё двухроматидная.

Образуются две клетки с гаплоидным числом двухроматидных хромосом. Набор: n2c (23 хромосомы, каждая из 2 хроматид). Между мейозом I и II нет S-фазы — ДНК не копируется. Следует короткая интерфаза (интеркинез).

Профаза II — короткая, без репликации ДНК. Хромосомы (n2c — 23, каждая из 2 хроматид) конденсируются, образуется веретено деления.

Метафаза II — хромосомы выстраиваются по экватору. Набор в клетке: n2c. Нити веретена присоединяются к обеим хроматидам каждой хромосомы.

Анафаза II — расщепляются центромеры, сестринские хроматиды расходятся к полюсам. Теперь к каждому полюсу движутся однохроматидные хромосомы (набор у полюса: n1c).

Телофаза II — итог всего мейоза: из одной клетки образуются 4 гаплоидные клетки с набором n1c (23 однохроматидные хромосомы).

1. Образование гаплоидных гамет — без этого не было бы полового размножения.

2. Поддержание постоянного числа хромосом в ряду поколений (сперматозоид n + яйцеклетка n = зигота 2n).

3. Генерация генетического разнообразия через кроссинговер и независимое расхождение хромосом.

Сперматогонии закладываются в эмбриогенезе, но активно делиться начинают только в пубертате. После этого — непрерывно до старости. Мейоз проходит без пауз. Из каждой исходной клетки образуются 4 функциональных сперматозоида. Обязательна стадия формирования (спермиогенез).

Овогонии делятся только в эмбриональном периоде. Девочка рождается с готовым запасом овоцитов I порядка, «замороженных» в профазе I мейоза (стадия диктиотены). Каждый менструальный цикл один овоцит «размораживается», завершает мейоз I и останавливается в метафазе II — это и есть овуляция.

Мейоз II завершается только если произошло оплодотворение. Из одного овоцита — 1 яйцеклетка и 3 нефункциональных полярных тельца.

Генетическая информация зашифрована в последовательности нуклеотидов ДНК. Схема: ДНК → РНК → белок.

Генетический код — это система соответствия между триплетами нуклеотидов (кодонами) мРНК и аминокислотами белка. Своего рода «словарь» перевода нуклеотидного языка в аминокислотный.

Триплетность — одна аминокислота = 3 нуклеотида (кодон). Не 1 и не 2, именно 3 — потому что из 4 букв это минимальное количество комбинаций, покрывающее все 20 аминокислот (4³=64).

Неперекрываемость — каждый нуклеотид принадлежит только одному кодону. Читается строго тройками.

Непрерывность (без запятых) — между кодонами нет «разделителей». Рибосома читает без пробелов.

Вырожденность (избыточность) — одну аминокислоту могут кодировать несколько кодонов (64 кодона на 20 аминокислот + 3 стоп-кодона). Страховка от мутаций.

Специфичность (однозначность) — каждый кодон кодирует строго одну аминокислоту (обратное вырожденности неверно).

Универсальность — один и тот же код у бактерий, грибов, растений, животных, человека. Доказательство общего происхождения жизни.

ДНК ↔ РНК → Белок

ДНК копируется сама (репликация). С ДНК снимается копия — мРНК (транскрипция). По мРНК строится белок (трансляция). Информация течёт в одну сторону: от нуклеиновых кислот к белку, но не обратно. Исключение — ретровирусы (ВИЧ), где РНК переписывается обратно в ДНК (обратная транскрипция).

В отличие от ДНК-полимеразы: 1) умеет самостоятельно расплетать ДНК; 2) не нужен праймер — может начать синтез «с нуля»; 3) не проверяет ошибки — поэтому транскрипционных ошибок больше (1 на 10⁴–10⁵), но это не критично, ведь с одного гена делается много копий мРНК.

Промотор — участок ДНК перед геном (у 5'-конца), куда «садится» РНК-полимераза и транскрипционные факторы. Содержит два ключевых элемента: ТАТА-бокс (точное позиционирование фермента) и ЦААТ-бокс (повышает эффективность транскрипции).

Инициация — РНК-полимераза связывается с промотором, «открывает» двойную спираль.

Элонгация — полимераза ползёт по антисмысловой цепи 3'→5' и синтезирует РНК 5'→3' по комплементарности (А→У, Г→Ц).

Терминация — достигает стоп-сигнала, комплекс распадается. Получается первичный транскрипт — пре-мРНК.

Антисмысловая (матричная) цепь (идёт 3'→5') — используется РНК-полимеразой как шаблон для синтеза РНК.

Смысловая (кодирующая) цепь (идёт 5'→3') — в транскрипции не участвует, но её последовательность совпадает с мРНК (только Т заменён на У).

Транскриптон — единица транскрипции: участок ДНК от промотора до терминатора, который переписывается как одно целое.

Транскрипт — РНК, которая при этом получается.

Транскриптом — все РНК, которые клетка синтезирует в данный момент. Это «расписание работы генов» в реальном времени.

РНК-полимераза I работает в ядрышке и синтезирует крупные рибосомные РНК: 28S, 18S и 5.8S рРНК. Они входят в состав большой и малой субъединиц рибосомы. Транскрипты РНК-пол I не подвергаются кэпированию.

РНК-полимераза II — главный фермент генной экспрессии. Синтезирует: пре-мРНК (предшественники информационных РНК), малые ядерные РНК (мяРНК, участвующие в сплайсинге), микроРНК и другие некодирующие РНК. Транскрипты РНК-пол II подвергаются кэпированию и полиаденилированию.

РНК-полимераза III синтезирует тРНК (транспортные РНК) и малую рибосомную 5S рРНК, входящую в состав большой субъединицы рибосомы. Также синтезирует некоторые малые ядерные РНК.

Обычно информация идёт ДНК→РНК, но обратная транскриптаза (ревертаза) делает наоборот: синтезирует ДНК на матрице РНК. Это механизм ретровирусов (ВИЧ) — они встраивают свой геном в ДНК клетки. Также используется мобильными генетическими элементами.

Сырой транскрипт (пре-мРНК) нужно обработать перед отправкой из ядра. Три этапа:

1. 5'-кэпирование — на 5'-конец надевается «кепка» из метилгуанозина.

2. 3'-полиаденилирование — на 3'-конец наращивается «хвост» из ~200 аденинов (поли-А хвост).

3. Сплайсинг — интроны вырезаются, экзоны сшиваются.

Сплайсинг — вырезание интронов и ковалентное сшивание экзонов. Без него мРНК содержала бы «мусор» и строила бы бессмысленный белок.

Сплайсосома — огромный белково-РНК комплекс, который выполняет сплайсинг. Малые ядерные РНК в её составе комплементарно «узнают» границы интронов с точностью до нуклеотида.

Кэпирование происходит ко-транскрипционно — сразу после синтеза первых ~25 нуклеотидов транскрипта РНК-пол II. На 5'-конец добавляется 7-метилгуанозин через необычную 5′→5′ трифосфатную связь. Кэпированию подвергаются только транскрипты РНК-полимеразы II.

Кэп выполняет четыре функции: 1) защищает мРНК от деградации 5′→3′ экзонуклеазами; 2) служит сигналом для транспорта мРНК из ядра в цитоплазму; 3) узнаётся малой (40S) субъединицей рибосомы при инициации трансляции; 4) участвует в качественном контроле мРНК (нонсенс-опосредованный распад).

На 3'-конце мРНК наращивается «хвост» из 100–250 аденинов. Его роль: определяет «срок жизни» мРНК в цитоплазме (чем длиннее хвост, тем дольше живёт мРНК) и помогает терминации транскрипции.

Сплайсосома может сшивать экзоны в разных комбинациях: пропустить один, включить другой. Из одного гена — несколько разных белков.

Именно это объясняет, почему 20–25 тысяч генов человека дают более 100 тысяч различных белков (протеом). Без альтернативного сплайсинга нас бы не хватило.

Рибосома — белок-синтезирующий «станок». Состоит из двух субъединиц:

Малая (40S): 18S рРНК + ~33 белка. Связывает мРНК и «читает» кодоны.

Большая (60S): 28S + 5.8S + 5S рРНК + ~49 белков. Содержит каталитический центр — образует пептидные связи. Функцию катализатора выполняет сама 28S рРНК (рибозим).

тРНК — молекула-переводчик между «нуклеотидным» и «аминокислотным» языками. Форма — клеверный лист.

Акцепторная функция: 3'-конец (всегда CCA) принимает конкретную аминокислоту.

Адапторная функция: петля антикодона комплементарно распознаёт кодон мРНК в рибосоме. Тем самым тРНК «ставит» нужную аминокислоту на нужное место.

Ферменты, которые «заряжают» тРНК правильной аминокислотой (с затратой АТФ). Каждая синтетаза узнаёт и аминокислоту, и соответствующую ей тРНК. Если синтетаза ошибётся — в белок попадёт неверная аминокислота. Именно синтетазы — истинные «дешифраторы» генетического кода.

Малая субъединица (40S) цепляется за кэп мРНК, сканирует её до первого АУГ (старт-кодон). В P-сайт встаёт инициаторная тРНК с метионином. Сверху «закрывается» большая субъединица (60S). Сборка завершена — начинается синтез.

Рибосома движется по мРНК, каждый шаг = 1 кодон:

1. В А-сайт заходит аминоацил-тРНК с антикодоном, комплементарным текущему кодону.

2. Пептидная связь: пептид переносится с тРНК в P-сайте на аминокислоту в А-сайте.

3. Транслокация — рибосома сдвигается на 3 нуклеотида. Старая тРНК уходит через E-сайт. Цикл повторяется.

Когда в А-сайт рибосомы попадает стоп-кодон, специальный белок-фактор освобождения (eRF1/eRF3 у эукариот) связывает этот сайт — тРНК для стоп-кодонов не существует. Фактор гидролизует связь между полипептидом и последней тРНК. Готовый белок высвобождается, рибосома диссоциирует на большую и малую субъединицы.

Старт-кодон — АУГ, кодирует метионин. Все белки начинаются с Met (у эукариот). Служит точкой начала трансляции и определяет рамку считывания.

Стоп-кодоны (терминирующие) — УАА, УАГ, УГА. Не кодируют аминокислоты. Сигнализируют рибосоме об окончании синтеза белка.

Одна молекула мРНК читается несколькими рибосомами одновременно — получается «гусеница» из рибосом. Это полисома. Выгода: с одной мРНК синтезируется много копий белка параллельно — в разы эффективнее, чем читать по одной рибосоме.

Синтезированный белок — ещё не «готовый»: нужно сложить, достроить и доставить. Модификации (в ЭПР и Гольджи): фолдинг (сворачивание в нужную форму с помощью шаперонов), отщепление лишних пептидов, гликозилирование (добавление сахаров), фосфорилирование, формирование дисульфидных мостиков.

Оперон — группа бактериальных генов с общим промотором и оператором, которые читаются как одна единица. Управляет целым метаболическим путём.

Лактозный оперон — 3 гена ферментов для переработки лактозы + промотор + оператор. Если лактозы нет → выключен. Если лактоза есть → включён.

Работает как выключатель-индуктор:

Лактозы нет → белок-репрессор прочно сидит на операторе → РНК-полимераза не может начать работу → гены выключены.

Лактоза появилась → лактоза связывается с репрессором, меняет его форму → репрессор отваливается от оператора → РНК-полимераза синтезирует ферменты → лактоза расщепляется. Идеальная экономия ресурсов.

У эукариот сложнее: транскрипция регулируется целым набором белков и элементов ДНК:

Промотор — стартовая площадка.

Энхансеры — «газ»: усиливают транскрипцию, могут находиться далеко от гена.

Сайленсеры — «тормоз»: подавляют транскрипцию.

Инсуляторы — «забор»: изолируют ген от влияния соседних энхансеров.

Малые интерферирующие РНК (siRNA, миРНК) — двухцепочечные РНК длиной 20–25 нт. Обрабатываются ферментом Dicer, включаются в комплекс RISC. При полной комплементарности к мРНК-мишени → мРНК разрезается и деградирует. Используются клеткой для защиты от вирусов и мобильных элементов.

МикроРНК (miRNA, мкРНК) — однонитевые некодирующие РНК длиной ~22 нт, кодируются собственными генами. Включаются в комплекс RISC. При неполной комплементарности к 3′-UTR мРНК → трансляция блокируется или мРНК дестабилизируется. В геноме человека >2000 генов мкРНК, регулирующих ~60% всех генов.

Скрещивать особей с известными признаками и анализировать потомство в нескольких поколениях. Мендель использовал горох: чёткие альтернативные признаки (жёлтые/зелёные семена), самоопыление для чистых линий, большие выборки для статистики. Метод позволяет «вычислить» генотип по фенотипу потомства.

При скрещивании двух чистых линий (AA × aa) всё первое поколение одинаковое фенотипически — проявляется доминантный признак (Аа выглядит как АА).

Схема: ♀ АА × ♂ аа → 100% Аа (все жёлтые горошины).

При скрещивании гибридов F1 между собой (Аа × Аа) в F2 расщепление:

По фенотипу: 3 доминантных : 1 рецессивный.

По генотипу: 1 АА : 2 Аа : 1 аа.

Он дал самоопылиться растениям F2. Рецессивные (аа) дали только рецессивное потомство — подтверждение гомозиготности. Среди доминантных: ⅔ при самоопылении давали расщепление 3:1 (значит, гетерозиготы Аа), ⅓ не давали расщепления (значит, гомозиготы АА). Итог: генотипическое расщепление F2 = 1АА : 2Аа : 1аа.

При гаметогенезе аллельные гены не перемешиваются, а расходятся в разные гаметы. Гетерозигота Аа даёт 50% гамет с А и 50% с а. Каждая гамета несёт ровно один аллель — «чистая» от второго.

Хочешь знать, гомо- или гетерозигота особь с доминантным фенотипом? Скрести её с рецессивной гомозиготой (аа).

Если все потомки с доминантным фенотипом — скрещивалась АА. Если половина рецессивные — скрещивалась Аа.

Схема: Аа × аа → 50% Аа (доминантный) + 50% аа (рецессивный).

В анафазе I мейоза гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам. У гетерозиготы Аа: хромосома с А уходит к одному полюсу, с а — к другому. Получаются гаметы А и а (50:50). При случайном оплодотворении итог — расщепление 1АА:2Аа:1аа.

При скрещивании по двум признакам (АаВb × АаВb) гены из разных пар хромосом передаются независимо. Расщепление в F2: 9:3:3:1 по фенотипу. Работает только если гены расположены в разных хромосомах.

В метафазе I биваленты выстраиваются на экваторе случайно — какая сторона повернёт к какому полюсу, решает случай. Поэтому негомологичные хромосомы (из разных пар) расходятся независимо. При 23 парах у человека это даёт 2²³ = ~8 миллионов комбинаций гамет только за счёт независимого расхождения!

Морган скрестил дигетерозиготного самца (BbVv, серое/длинные) с самкой bbvv (чёрное/короткие). Вместо четырёх фенотипов — только два родительских (1:1). Вывод: гены B и V сцеплены в одной хромосоме и передаются вместе. У самцов дрозофилы кроссинговера нет — поэтому сцепление полное.

Сцепленное наследование — гены, сидящие в одной хромосоме, передаются вместе (не независимо по Менделю).

Группа сцепления — все гены одной хромосомы. Число групп сцепления = гаплоидному числу хромосом. У человека — 23 группы сцепления.

При скрещивании дигетерозиготной самки с рецессивным самцом появились 4 фенотипа: родительские по ~41,5%, рекомбинанты по ~8,5%. У самок кроссинговер есть — он «перемешивает» сцепленные гены, давая рекомбинантные хроматиды и новые фенотипы в меньшинстве.

Чем дальше два гена друг от друга в хромосоме, тем чаще кроссинговер происходит между ними → тем больше рекомбинантов в потомстве. Процент рекомбинантов = генетическое расстояние в морганидах (сМ). 1 морганида = 1% кроссоверного потомства.

Генетическая карта — схема расположения генов с расстояниями в морганидах. Строится по частоте кроссинговера.

Трудности у человека: нельзя скрещивать людей в экспериментах, мало потомков, медленная смена поколений.

Сливают клетки человека и мыши. Гибрид нестабилен: хромосомы человека постепенно теряются. Наблюдают: исчезла хромосома → исчез фермент. Значит, ген этого фермента — в той хромосоме. Так картируют без скрещиваний.

Карта расположения генов на хромосоме в физических координатах (бэнды). Строится анализом аберраций: если делеция захватывает регион X → фенотипический дефект → ген локализован в X.

1. Гены расположены в хромосомах.

2. Гены в хромосоме выстроены линейно.

3. Каждый ген занимает свой постоянный локус.

4. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления.

5. Число групп сцепления = гаплоидному числу хромосом.

Тип XY (Lygaeus): самки XX, самцы XY — человек, дрозофила, млекопитающие.

Тип X0 (Protenor): самки XX, самцы X0 — жуки, пауки.

Птичий тип ZW/ZZ: самки гетерогаметны (ZW), самцы гомогаметны (ZZ) — птицы, рептилии, бабочки.

Гаплодиплоидия: самцы развиваются из неоплодотворённых яиц (гаплоидные), самки — из оплодотворённых (диплоидные). Пчёлы, муравьи.

Да. Пол не только генетический — у многих животных среда меняет его. Пример: личинка морского червя Bonellia, осев на самке, развивается в карликового паразитического самца. У некоторых рыб смена пола — норма (зависит от социальной иерархии). Механизм: изменение экспрессии генов под влиянием гормонов.

X-хромосома крупная (>1000 генов). Y-хромосома мелкая (~89 генов). Гомологичных участков мало.

У мужчин (XY) гены X-хромосомы в единственной копии — рецессивный аллель сразу проявляется (нет второго аллеля, чтобы «прикрыть»). Это называется гемизиготность.

Гены в X-хромосоме: гемофилия, дальтонизм, миодистрофия Дюшенна.

При рецессивном: болеют преимущественно мужчины (гемизиготы). Женщины-носительницы (ХᵃX) здоровы. Сын от носительницы — 50% риск заболеть. Отец-больной передаёт мутантный ген только дочерям.

Ген в негомологичной зоне Y-хромосомы → признак передаётся исключительно от отца ко всем сыновьям, во всех поколениях. Пример — гипертрихоз края ушной раковины (оволосение ушей).

Гены в псевдоаутосомных районах — общих у X и Y. Наследование похоже на аутосомное, но «частично» сцепленное с полом. Примеры: полная цветовая слепота, пигментная ксеродерма, спастическая параплегия.

Гетерозигота (Аа) выглядит как доминантная гомозигота (АА) — рецессивный аллель не виден. Примеры: карий цвет глаз доминирует над голубым, курчавые волосы над прямыми. Доминантность — не абсолютна, может зависеть от пола или среды.

Гетерозигота (Аа) — промежуточный фенотип. Одного доминантного аллеля не хватает для полного эффекта. Классика: ночная красавица. Красный (АА) × белый (аа) → розовый (Аа).

Оба аллеля у гетерозиготы экспрессируются одновременно и полноценно. Пример: IV группа крови AB. Генотип IᴬIᴮ — на эритроцитах есть и антиген A, и антиген B.

Гетерозигота (Аа) превосходит оба гомозиготных генотипа. Основа явления гетерозиса («гибридной силы»). Медицинский пример: гетерозиготы по серповидноклеточной анемии (HbA/HbS) устойчивее к тропической малярии, чем нормальные HbA/HbA.

В соматической клетке активен только один аллель, второй замолчан. Пример — инактивация X-хромосомы у женщин (тельце Барра). Мозаика: в одних клетках активна «мамина» X, в других — «папина». Поэтому кошки-трёхцветки всегда самки.

Гетерозигота несёт два разных мутантных аллеля одного гена, но фенотип нормальный — потому что каждый аллель кодирует «поломанную» субъединицу с разными дефектами, а при сборке мультимерного белка они взаимно компенсируют дефекты друг друга.

В популяции существует больше двух вариантов аллелей одного локуса. Каждый индивид несёт только два, но в генофонде их много. Пример: группы крови ABO — три аллеля: Iᴬ, Iᴮ, i⁰.

Признак проявляется только если одновременно есть доминантные аллели двух разных генов. Ни один по отдельности не даёт эффекта. Пример: слух у человека требует генов A и B. AA без B — глухой. BB без A — глухой. A_B_ — слышит.

Один доминантный ген (B — ингибитор) «заглушает» другой ген (A). При наличии B в генотипе — неважно, что делает A. Пример: окраска тыквы. Ген A даёт жёлтый, A_ — зелёный. Но B «перекрашивает» всё в белый независимо от A.

Рецессивный аллель в гомозиготе (hh) заглушает другой ген. Пример — «Бомбейский феномен»: человек генотипа hh не может синтезировать H-антиген (предшественник A и B). Даже если у него есть Iᴬ или Iᴮ — антигенов на эритроцитах нет. Лабораторно определяется как 0(I) группа — хотя генетически несёт другие аллели.

Несколько генов из разных локусов влияют на один количественный признак. Больше доминантных аллелей — сильнее выражен признак. Так наследуется рост, масса тела, цвет кожи. Цвет кожи определяется как минимум 4 генами пигментации — комбинации дают плавный спектр от светлого до тёмного.

Пенетрантность — % особей с данным генотипом, у которых проявился признак. Полная (100%) — ген всегда виден. Неполная — ген есть, но у некоторых не видно (например, хорея Гентингтона).

Экспрессивность — насколько сильно выражен признак у тех, у кого он проявился. Одна и та же мутация может давать от лёгкой до тяжёлой формы.

Плейотропия — один ген влияет на несколько признаков. Пример: синдром Марфана — мутация в гене фибриллина → высокий рост, паукообразные пальцы, вывих хрусталика и порок сердца. Всё от одного гена.

Генокопия — похожий фенотип, но от мутаций в разных генах. Выглядит одинаково, причина разная.

Норма реакции — генетически заданный диапазон, в котором среда может менять фенотип. Это предел модификационной изменчивости.

Широкая норма: количественные признаки (масса тела, загар, удойность) — среда сильно меняет выраженность.

Узкая норма: качественные признаки (группа крови, цвет глаз) — среда почти не влияет.

Даже при абсолютно одинаковых генотипе и среде организмы могут немного различаться — случайные флуктуации в эмбриогенезе. Это объясняет, почему монозиготные близнецы не идентичны во всём.

Новые комбинации аллелей в потомстве — без мутаций. Три источника:

1. Кроссинговер в профазе мейоза I.

2. Независимое расхождение хромосом в анафазе I.

3. Случайное слияние гамет при оплодотворении.

Это главный «поставщик» вариабельности в эволюции.

Мутация — внезапное стойкое наследуемое изменение генома. Постулаты де Фриза: мутации возникают скачком (не плавно), мутантные формы стабильны, это качественные сдвиги, направление непредсказуемо (могут быть полезными или вредными), могут повторяться независимо у разных особей.

Морфологические: аномалии строения (полидактилия, заячья губа).

Физиологические: нарушения функции органов, энзимопатии.

Биохимические: изменение структуры или активности конкретного белка.

Летальные: гибель 100% носителей до репродукции.

Сублетальные: гибель 50–90%.

Условно летальные: выживают при определённых условиях (галактоземия без лактозы в диете — норма).

Полезные: повышают приспособленность → закрепляются отбором.

Транзиции — замена «на своё»: пурин → пурин (А↔Г) или пиримидин → пиримидин (Т↔Ц). Меньший структурный сдвиг.

Трансверсии — замена «через»: пурин → пиримидин или наоборот (А↔Т, Г↔Ц). Транзиции встречаются чаще.

Замена нуклеотида меняет смысл кодона → в белок вставляется другая аминокислота. Классика: серповидноклеточная анемия — в 6-м триплете β-глобина ЦТТ (глутамат) меняется на ЦАТ (валин). Один «неправильный» кирпичик — и гемоглобин при гипоксии полимеризуется в серпы.

Замена нуклеотида превращает смысловой кодон в стоп-кодон (УАА, УАГ или УГА). Рибосома останавливается раньше времени → синтезируется укороченный, нефункциональный белок.

Инсерция или делеция нуклеотидов в количестве, не кратном трём. Результат: рибосома начинает читать «не в той рамке» — вся последовательность после мутации становится «абракадаброй». Почти всегда катастрофичны для белка.

Повторяющийся трёхбуквенный мотив в ДНК «размножается» в поколениях сверх нормы. Чем больше повторов — тем тяжелее болезнь, чем позже она начнётся. Пример: миотоническая дистрофия — в норме 5–37 повторов ЦТГ, у пациентов — от 50 до 1000. Феномен антиципации: с каждым поколением болезнь тяжелее.

Мутация начинается с предмутационного повреждения:

1. Химическая модификация оснований (дезаминирование, алкилирование).

2. Утрата основания (АП-сайт).

3. Тиминовые димеры (от УФ).

4. Одно- или двунитевые разрывы.

5. Ошибки репликации.

Повреждение ДНК — ещё не мутация. Если репарация не успела до репликации, повреждение фиксируется в дочерней цепи как стабильное изменение нуклеотидной последовательности — вот тогда это мутация. Поэтому S-фаза — «опасный» период для генома.

Неоморфные — белок приобретает новую патологическую функцию (не просто ломается, а начинает делать что-то вредное). Онкогены при активации — пример.

Аморфные (нуль-мутации) — белок полностью теряет функцию. Признак исчезает.

Эндогенные причины: сбои ДНК-полимераз при копировании, неравный кроссинговер, мобильные элементы, ошибки сплайсинга, атака ДНК свободными радикалами кислорода (побочный продукт обмена веществ).

Мутация А→а — прямая. Мутация а→А — обратная (реверсия). Реверсия возможна, но редкa. Прямые мутации случаются значительно чаще обратных.

Соматические мутации — только у носителя: мозаицизм (разные клетки — разный геном) или онкогенез. Потомству не передаются.

Герминальные (половые) мутации — передаются потомкам. Рецессивная мутация может «путешествовать» в гетерозиготах поколениями, не проявляясь, и «выстрелить» при случайном гомозиготировании.

Радиация ионизирует воду внутри клетки → образуются агрессивные гидроксильные радикалы (ОН·) → они атакуют ДНК, вызывая одно- и двунитевые разрывы, а также другие повреждения. Двунитевые разрывы особенно опасны — могут привести к хромосомным перестройкам.

УФ поглощается тимином → соседние тимины в цепи «слипаются» ковалентной связью — образуются тиминовые димеры. Они деформируют спираль и останавливают репликацию. Если репарация не справляется → мутация или гибель клетки. Пигментная ксеродерма — болезнь при неспособности репарировать УФ-повреждения.

Алкилирующие вещества (иприт, этиленимин) ковалентно присоединяют метильные/этильные группы к основаниям ДНК. Изменённое основание спаривается «не с тем»: например, алкилгуанин спаривается с тимином вместо цитозина → транзиция ГЦ→АТ при следующей репликации.

Азотистая кислота дезаминирует основания: аденин → гипоксантин (спаривается с Ц вместо Т), цитозин → урацил (спаривается с А вместо Г). Итог — транзиции. Дополнительно вызывает межцепочечные сшивки → делеции.

Синтетические молекулы (5-бромурацил, 2-аминопурин) похожи на нормальные основания — ДНК-полимераза встраивает их в цепь. Но они нестабильны: меняют форму (таутомерные переходы) и начинают «неправильно» спариваться → транзиции.

Плоские ароматические молекулы (акридиновый оранжевый, профлавин) вклиниваются между парами оснований — интеркалируют. Это растягивает и деформирует ДНК. При репликации полимераза теряет счёт и вставляет лишний нуклеотид или пропускает один → сдвиг рамки считывания.

1. Инсерционные вирусы — встраивают свой геном в хромосомы хозяина, разрушая гены (онковирусы).

2. Мобильные генетические элементы (транспозоны) — «прыгают» по геному, разрушая гены в местах встройки.

3. Метаболиты паразитов — некоторые токсины паразитов прямо повреждают ДНК клеток хозяина.

Простейший вид репарации: фермент фотолиаза «видит» тиминовый димер, поглощает фотон синего света и использует его энергию, чтобы разрушить ковалентную связь между тиминами. Мгновенное и точное исправление. Есть у прокариот и ряда эукариот (не у плацентарных млекопитающих).

Устраняет объёмные «булыжники» в спирали (тиминовые димеры, аддукты). Принцип «вырезать и вставить»:

1. Эндонуклеаза надрезает цепь около дефекта.

2. Экзонуклеаза вырезает фрагмент с повреждением.

3. ДНК-полимераза достраивает брешь по целой матрице.

4. ДНК-лигаза «запаивает» разрыв.

Устраняет повреждённые отдельные основания (дезаминированные, окисленные):

1. ДНК-гликозилаза «выщёлкивает» плохое основание → АП-сайт.

2. АП-эндонуклеаза надрезает цепь в этом месте.

3. Экзонуклеаза удаляет остаток сахара.

4. Полимераза + лигаза восстанавливают брешь.

Если вилка «перепрыгнула» через повреждение, в дочерней цепи остаётся брешь напротив дефекта. Спасение: гомологичная рекомбинация — из сестринской хроматиды вырезается нормальный участок и вставляется в брешь. Образовавшийся пробел в сестринской хроматиде легко достраивается полимеразой.

Двунитевой разрыв — почти катастрофа: обе нити порваны. Ремонт через гомологичную рекомбинацию с использованием интактной сестринской хроматиды как эталона. Ключевые белки: BRCA1 и BRCA2. Их мутации → неспособность чинить разрывы → накопление хромосомных аберраций → наследственный рак молочной железы и яичников.

Охотится за «неправильными парами» — нуклеотидами, которые вставила ДНК-полимераза по ошибке (и которые не исправила сама). Комплекс MMR сканирует ДНК, находит некомплементарную пару, вырезает участок новой цепи (отличает новую от старой по маркерам), и достраивает заново.

Экстренный режим при катастрофическом повреждении ДНК, когда обычная репликация невозможна. Включаются специальные «аварийные» полимеразы, которые синтезируют ДНК прямо через повреждённый участок — ошибаясь при этом очень часто. Много мутаций, зато клетка выжила и поделилась.

Генные болезни = мутация одного гена. Цепочка: мутантный ген → аномальный (или отсутствующий) белок → блок в биохимическом пути → дисфункция клеток → поражение органов → клинические симптомы.

Мутация гена фермента → фермент не работает → накапливается субстрат (токсичный) → дефицит продукта. Классификация по типу обмена: аминокислоты (фенилкетонурия, альбинизм), углеводы (галактоземия), липиды, витамины.

Точечная замена нуклеотида в гене β-глобина: 6-й кодон меняется с ЦТТ (глутамат) на ЦАТ (валин). Синтезируется гемоглобин S (HbS). В условиях низкого O₂ молекулы HbS «слипаются» в длинные полимеры → эритроцит деформируется в «серп» → серпы застревают в капиллярах → тромбоз, гемолитическая анемия.

Нарушение синтеза одной из цепей гемоглобина (не её структуры). Нонсенс-мутации, делеции, сдвиги рамки → цепь не производится или в минимальных количествах. Дисбаланс субъединиц → нестабильный гемоглобин → тяжёлая гемолитическая анемия у гомозигот. α-талассемия — мутации в генах α-цепи, β-талассемия — в генах β-цепи.

Наследственные дефекты ферментов репарации → хромосомная нестабильность → накопление мутаций → рак. Примеры: пигментная ксеродерма (нет NER — огромный риск рака кожи от УФ), анемия Фанкони, синдром Блума, атаксия-телеангиэктазия. Также синдромы преждевременного старения: прогерия Хатчинсона-Гилфорда, синдром Вернера.

Два пути. 1) Радиация или химикаты разрывают хромосомы в интерфазе → обломки неправильно «слипаются». 2) Неравный кроссинговер в мейозе → одна хромосома теряет участок (делеция), другая получает лишний (дупликация).

Сбалансированные (транслокации, инверсии) — количество генетического материала не изменено, только его порядок. Носитель фенотипически здоров, но в мейозе образуются дефектные гаметы → выкидыши и больное потомство.

Несбалансированные (делеции, дупликации) — дозы генов нарушены. У носителя: задержка развития, умственная отсталость, множественные пороки развития.

Делеция = потеря участка хромосомы. Терминальная — теряется конец. Интерстициальная — выпадает средний кусок. Клинические примеры: синдром кошачьего крика (del 5p) — микроцефалия, умственная отсталость, крик ребёнка напоминает кошачий. Синдром Вольфа-Хиршхорна (del 4p) — тяжёлые лицевые аномалии.

Псевдодоминирование — рецессивный аллель «обнажается» у гетерозиготы, потому что делеция уничтожила доминантный аллель в гомологичной хромосоме. Рецессивный выглядит «доминантным».

Пример: у самки дрозофилы делеция в одной X-хромосоме захватывает ген White → рецессивный аллель белоглазия в другой X «выходит наружу» → белые глаза у гетерозиготы.

Участок хромосомы присутствует в двух и более копиях. Тандемная — копии рядом. Инвертированная — копия перевёрнута. У гетерозигот в мейозе образуется «петля» компенсации. Пример у дрозофилы: мутация Bar (щелевидные глаза). В эволюции дупликации — источник новых генов (одна копия работает, вторая мутирует в новую функцию).

Участок хромосомы разворачивается на 180°. Число генов не меняется — меняется их порядок. Парацентрическая — центромера не включена в инвертированный участок. Перицентрическая — включена (меняет форму хромосомы). Носители фенотипически здоровы, но при кроссинговере в мейозе образуются дефектные хромосомы → полустерильность.

Два разрыва у обоих концов → оба конца «слипаются» в кольцо. Если в кольце есть центромера — наследуется. Без центромеры — теряется при делении. Потеря теломерных фрагментов → частичная моносомия → задержка развития и умственная отсталость.

Центромера делится «поперёк» вместо «вдоль» → образуется хромосома с двумя идентичными плечами. Одно плечо — удвоено (частичная трисомия), другое — утеряно (частичная моносомия). Изохромосома длинного плеча X (46,X,i(Xq)) вызывает синдром Тернера.

Две негомологичные хромосомы обмениваются сегментами. Если ничего не потеряно — транслокация сбалансирована. Носитель здоров. Но в мейозе четыре хромосомы образуют крест (квадривалент). Неправильное расхождение → несбалансированные гаметы → привычные выкидыши или больное потомство.

Слияние длинных плеч двух акроцентрических хромосом (13, 14, 15, 21, 22) с утратой их коротких плеч.

Транслокационный синдром Дауна: один из родителей несёт транслокацию 14/21. В мейозе он может дать гамету с транслоцированной 14/21 + нормальной 21 → зигота имеет три «дозы» гена 21 → синдром Дауна при кариотипе 46 хромосом (не 47!). Поэтому при синдроме Дауна обязательно кариотипировать родителей.

МГЭ — нуклеотидные последовательности, способные «прыгать» по геному. На концах — прямые или инвертированные повторы (метки для ферментов-переносчиков). Присутствуют в множественных копиях. Составляют около 45% генома человека!

1. Ретротранспозиция («скопировать и вставить»): МГЭ → РНК → обратная транскриптаза → кДНК → вставка в новое место. Исходная копия остаётся. Размножение числа копий.

2. Консервативная транспозиция («вырезать и вставить»): фермент транспозаза вырезает элемент и переносит его. Число копий не меняется.

МГЭ — мощный эндогенный мутаген:

1. Вставка в ген → его разрушение (инсерционный мутагенез).

2. Собственные промоторы МГЭ могут включать соседние гены.

3. Активация онкогенов → рак.

4. Хромосомные перестройки через неравный кроссинговер между повторами.

Нерасхождение хромосом в мейозе → диплоидная гамета (2n) → при оплодотворении нормальной гаметой → триплоид (3n). Соматическая полиплоидия: эндомитоз — ДНК копируется, но клетка не делится → тетраплоидная клетка. Создаёт тканевой мозаицизм.

У животных: 1) полиплоидия нарушает хромосомный механизм определения пола; 2) перекрёстное оплодотворение — полиплоидный мутант не найдёт партнёра; 3) жёсткий дозовый контроль генов → летальный дизэмбриогенез; 4) гибриды-полиплоиды стерильны. У растений самоопыление и вегетативное размножение «обходят» все эти ограничения.

Анеуплоидия = не кратное гаплоидному изменение числа хромосом. Причина: нерасхождение — в анафазе мейоза I гомологи не расходятся, или в анафазе мейоза II сестринские хроматиды не расходятся. Итог: гаметы (n+1) или (n-1). При оплодотворении нормальной гаметой — трисомия (2n+1) или моносомия (2n-1).

Нерасхождение после оплодотворения, в митозе на ранних стадиях дробления. Одни клоны клеток имеют нормальный кариотип, другие — аномальный. Фенотип мягче, чем при «чистой» анеуплоидии. Пример: мозаичный синдром Дауна — часть клеток 46, часть 47.

Единственная жизнеспособная моносомия у человека. Частота 1:3000 девочек. Признаки: низкий рост, «крылья» кожи на шее (крыловидные складки), короткая шея, бочкообразная грудная клетка, низкая граница роста волос. Гонады — фиброзные тяжи (дисгенезия), аменорея, бесплодие. Интеллект обычно сохранён.

Частота 1:1000 женщин. В ядрах — два тельца Барра. У большинства фенотип нормальный, половое развитие и фертильность не нарушены (лишние X инактивированы). Интеллект на нижней границе нормы. При тетрасомии (XXXX) и пентасомии — нарастающая умственная отсталость.

Частота 1:700 мальчиков. Y-хромосома → мужской пол. Признаки проявляются в пубертате: недоразвитие яичек, дефицит тестостерона, высокий рост, длинные ноги, гинекомастия (рост молочных желёз), скудное оволосение. Бесплодие (азооспермия). В ядрах есть тельце Барра.

Частота 1:1000 мальчиков. Мужчины фенотипически нормальные, характерен высокий рост. Интеллект, гормоны и фертильность в норме. Иногда отмечается склонность к импульсивному поведению, но стигматизация «агрессивного кариотипа» научно не подтверждена.

Частота 1:7000–14000. Тяжелейшие множественные пороки: расщелина губы и неба, микрофтальмия, полидактилия, пороки сердца, поликистоз почек, аномалии мозга. ~95% погибают до 1 года. Выжившие — глубокая инвалидность.

Частота 1:6000 (у девочек в 3 раза чаще). Признаки: вытянутый (долихоцефальный) череп, маленький подбородок, деформированные уши, характерное положение кистей (указательный палец перекрывает средний), «стопа-качалка». Пороки сердца и почек. 90% погибают на первом году.

Самая частая хромосомная патология: 1:700. Признаки: круглая голова (брахицефалия), плоское лицо, монголоидный разрез глаз (эпикант), увеличенный язык, единственная поперечная складка на ладони, мышечная гипотония. Умственная отсталость (умеренная или тяжёлая). Часто пороки сердца. Риск растёт с возрастом матери.

Хромосомные болезни — врождённые патологии, причина которых — хромосомные (структурные) или геномные (числовые) мутации. Их объединяют термином хромосомные аномалии. Механизм болезней — дисбаланс генов в эмбриогенезе → множественные пороки развития. Частота у новорождённых — 3–4 на 1000.

1. Нельзя проводить направленные скрещивания.

2. Смена поколений медленная (25–30 лет).

3. Мало детей → плохая статистика.

4. Сложный кариотип (46 хромосом).

5. Нельзя стандартизировать условия среды для всех людей.

Составление и анализ родословных. Позволяет: доказать наследственный характер признака, установить тип наследования (аутосомный/X-сцепленный, доминантный/рецессивный), рассчитать пенетрантность, выявить гетерозиготных носителей, рассчитать генетический риск для консультирования.

Признаки: болеют мужчины и женщины одинаково (аутосомный ген). Болезнь в каждом поколении (вертикальная передача). У больного ребёнка — хотя бы один больной родитель. Проявляется в гетерозиготе. Риск передачи потомкам от гетерозиготного больного — 50%. Примеры: хорея Гентингтона, синдром Марфана.

Признаки: болеют сибсы (братья/сёстры), родители здоровы (носители). Одинаково у обоих полов. Проявляется только в гомозиготе (аа). Риск больного ребёнка у двух носителей (Аа × Аа) — 25%. Резко возрастает в кровнородственных браках. Примеры: фенилкетонурия, муковисцидоз.

Болеют преимущественно мужчины (гемизиготы XᵃY). Носительницы — женщины (XᴬXᵃ). Больной отец никогда не передаёт болезнь сыновьям (передаёт Y). Носительница: 50% сыновей больных, 50% дочерей — носительницы. Примеры: гемофилия A и B, дальтонизм, миодистрофия Дюшенна.

Болеют оба пола, но женщин в 2 раза больше. Вертикальная передача. Ключевой признак: больной отец передаёт болезнь 100% своих дочерей и 0% сыновей. Больная мать (гетерозигота) передаёт 50% детям любого пола.

Ген в негомологичной зоне Y → только мужская линия. Больной отец передаёт признак 100% сыновей, во всех поколениях. Пример: гипертрихоз ушных раковин.

Сравнивают конкордантность (% совпадения признака) у монозиготных (МЗ — 100% общих генов) и дизиготных (ДЗ — 50% общих генов) близнецов.

МЗ конкордантность >> ДЗ → признак генетически обусловлен. МЗ дискордантность → влияние среды. Позволяет «разделить» вклад генов и среды.

Простое окрашивание (Гимза) — видно все хромосомы, можно посчитать и выявить грубые числовые аномалии.

Дифференциальное (G-бэндинг) — уникальный паттерн полос. Точно идентифицирует каждую хромосому, выявляет структурные перестройки и микроделеции.

Коротные ДНК-зонды с флюорохромами «ищут» и «светятся» в нужном месте хромосомы под микроскопом. Возможности: находить конкретный ген на хромосоме, выявлять микроделеции (невидимые в микроскоп иначе), диагностировать анеуплоидии в неделящихся клетках (интерфазный FISH) — экспресс-диагностика за часы.

ДНК пациента (зелёная метка) и контроля (красная метка) конкурируют за связывание с чипом. Зелёный сигнал в точке — у пациента дупликация, красный — делеция. Детектирует микроскопические нарушения числа копий генов (CNV) по всему геному одновременно. Золотой стандарт диагностики детей с задержкой развития и множественными пороками неясной причины.

Работают с продуктами генов, а не с ДНК. Объекты: кровь, моча, амниотическая жидкость, клеточные культуры. Выявляют: дефицит ферментов или накопление токсичных метаболитов. Основа диагностики энзимопатий (фенилкетонурия — избыток фенилаланина, галактоземия — избыток галактозы).

Первичная (скрининг): сухие пятна крови новорождённых, экспресс-тесты — быстро, дёшево, на всех. Цель — выловить «подозрительных».

Уточняющая: газовая хроматография или масс-спектрометрия — точная количественная оценка метаболитов. Ставит окончательный диагноз у тех, кто прошёл скрининг «положительно».

Работают прямо с ДНК. Позволяют: читать нуклеотидную последовательность, находить точечные мутации, выявлять скрытых гетерозиготных носителей, делать пренатальную диагностику по клеткам плода до рождения.

ПЦР — многократное экспоненциальное копирование нужного участка ДНК в пробирке. Из одной молекулы — миллиарды копий за несколько часов.

Компоненты: 1) матричная ДНК; 2) термостабильная ДНК-полимераза (Taq из термофильных бактерий); 3) праймеры (два коротких олигонуклеотида, обрамляющих мишень); 4) дНТФ (строительный материал); 5) Mg²⁺ и буфер.

В реакцию добавляют флюоресцентные зонды. Прибор следит за нарастанием флюоресценции прямо во время амплификации — и количественно оценивает исходное количество мишени. Применение: измерение вирусной нагрузки (ВИЧ, гепатит, SARS-CoV-2), диагностика мутаций.

Стандартная ПЦР работает с ДНК, а что если надо изучить РНК? Сначала ревертаза превращает РНК в кДНК → потом кДНК амплифицируется обычной ПЦР. Незаменима для обнаружения РНК-вирусов (ВИЧ, грипп, SARS-CoV-2) и анализа экспрессии генов.

«Прочитать» нуклеотидную последовательность ДНК. Метод Сэнгера (метод обрыва цепи): в реакцию добавляют дидезоксинуклеотиды (ddNTP) с флюорохромами — они встраиваются и обрывают цепь. Получаются фрагменты разной длины. Разделяются электрофорезом, лазер считывает цвет — и на выходе последовательность букв. Идеален для поиска точечных мутаций.

ДНК протаскивается через нанопору в мембране. Каждое основание по-разному меняет ионный ток через пору. Прибор расшифровывает эти изменения в последовательность. Плюсы: читает очень длинные фрагменты в реальном времени. Приборы портативны (размером с USB-флешку).

Секвенируют только экзоны (~1,5% генома). Там сосредоточено >85% всех болезнетворных мутаций. Быстрее и дешевле полного генома — «золотой стандарт» молекулярной клиники для диагностики орфанных (редких) болезней.

Работа с клеточными культурами in vitro. Приёмы: культивирование (размножение клеток вне тела), клонирование (колония из одной клетки), селекция (отбор мутантных клеток), соматическая гибридизация (слияние клеток разных видов для картирования генов).

Изучение папиллярных узоров ладоней и пальцев. Они закладываются в 3–5 месяц эмбриогенеза, определяются генетически и на всю жизнь неизменны. Хромосомные болезни нарушают эти узоры (например, единственная поперечная складка ладони — «обезьяний» браслет при синдроме Дауна). Сейчас — скрининговый инструмент.

Анализ частот аллелей и генотипов в популяции. Уравнение: p² + 2pq + q² = 1, где p — частота доминантного, q — рецессивного аллеля. Зная частоту больных (q²), можно вычислить частоту скрытых носителей (2pq). Важно: в популяции носителей всегда намного больше, чем больных!

Цель: выявить патологию плода до рождения. Непрямые методы — не касаются плода: УЗИ (пороки строения), биохимический скрининг сыворотки матери (маркеры в крови). Не ставят диагноз, а оценивают риск → при высоком риске направляют на инвазивную диагностику. Показания: возраст матери >35 лет, отягощённый анамнез, тератогены, кровное родство.

При синдроме Дауна у плода в крови матери (II триместр): АФП ↓, эстриол ↓, ХГЧ ↑. Такой сдвиг — тревожный знак, нужна инвазивная диагностика.

Неинвазивные прямые: УЗИ плода, НИПТ (анализ ДНК плода из крови матери — без вмешательства).

Инвазивные прямые: биопсия хориона, амниоцентез, кордоцентез.

Амниоцентез: на 15–20 неделе прокалывают плодный пузырь, забирают немного амниотической жидкости (содержит клетки плода) → культивируют → кариотипируют или анализируют ДНК.

Биопсия хориона (7–16 неделя) — забор клеток трофобласта. Ранний результат. Риск выкидыша чуть выше, чем при амниоцентезе.

Кордоцентез (с 20-й недели) — прокол пуповины, забор крови плода. Лимфоциты плода быстро растут в культуре (2–3 дня). Высокая точность кариотипирования.

Проспективное — до рождения больного ребёнка, в семьях с риском. Наиболее ценное: помогает предотвратить.

Ретроспективное — после рождения больного (пробанда). Оценивает риск повторения у будущих детей.

1. Наследственная болезнь в семье.

2. Ребёнок с задержкой развития или пороками.

3. Привычные выкидыши (≥2).

4. Кровнородственный брак.

5. Возраст матери >35 лет.

6. Контакт с тератогенами в беременность (радиация, TORCH, лекарства).

1. Поставить точный диагноз.

2. Рассчитать генетический риск для потомства.

3. Выявить носителей в семье.

4. Предоставить семье информацию для осознанного решения о деторождении.

5. Санитарное просвещение.

Яйцеклетка готовится к эмбриогенезу заранее: накапливает рибосомы, мРНК, желток. Ооплазматическая сегрегация происходит после оплодотворения — компоненты цитоплазмы перераспределяются по-новому, создавая «карту» разных зон с разным химическим составом. При дроблении ядра попадают в разные зоны → в каждой зоне включаются свои гены → первые шаги дифференцировки.

1. Дистантное сближение — спермии движутся к яйцеклетке (физические потоки, гигантский размер яйцеклетки, избыток спермиев).

2. Контактная активация — специфическое узнавание через рецепторы гликопротеинов.

3. Сингамия — слияние пронуклеусов.

Акросомная реакция (сперматозоид): выброс гидролитических ферментов из акросомы → расплавление лучистого венца и блестящей оболочки.

Кортикальная реакция (яйцеклетка): приток Ca²⁺ → выброс кортикальных гранул → ферменты модифицируют zona pellucida → она становится непроходимой для других спермиев (блок полиспермии).

После входа первого сперматозоида кортикальные гранулы разрушают рецепторы ZP3 на блестящей оболочке и химически изменяют её структуру. Всё — zona pellucida больше не «принимает» других спермиев. Эволюционно важно: полиспермия была бы летальна (3n вместо 2n).

Завершается мейоз II яйцеклетки (выталкивается второе полярное тельце). Формируются мужской и женский пронуклеусы → в каждом реплицируется ДНК → хромосомы выстраиваются на экваторе первого митоза дробления. У млекопитающих общего ядра зиготы не образуется — пронуклеусы объединяются прямо на веретене.

Серия быстрых делений без клеточного роста между ними: бластомеры с каждым делением мельчают. Суммарный объём не увеличивается. Цикл сокращён до S+M фаз. Заканчивается образованием бластулы.

Характерно для изолецитальных яиц (ланцетник, млекопитающие — мало желтка, он равномерен). Борозды проходят через всю клетку, деля её на равные бластомеры. Результат: целобластула — полый шар с однослойной стенкой и просторным бластоцелем внутри.

У умеренно телолецитальных яиц (амфибии). Желток тормозит деление на вегетативном полюсе. Мелкие бластомеры (микромеры) на анимальном полюсе, крупные (макромеры) — на вегетативном. Бластоцель смещён к анимальному полюсу.

У резко телолецитальных яиц (птицы, рептилии, рыбы). Делится только узкий диск безжелтковой цитоплазмы поверх огромной массы желтка. Остальное не дробится. Результат: дискобластула с бластодермой и щелевидным бластоцелем под ней.

У насекомых (центролецитальные яйца). Ядра делятся в центре (без цитокинеза), потом мигрируют на периферию → там клеточные стенки обособляются. Центр занят желтком, клетки — только по краю (перибластула).

Дробление полное, неравномерное, асинхронное. На стадии морулы (16–32 клетки) происходит компактизация: поверхностные клетки → трофобласт (будущая плацента), внутренние → эмбриобласт (сам зародыш). Внутри накапливается жидкость → морула становится бластоцистой.

Инвагинация («впячивание») — клеточный пласт прогибается внутрь бластоцеля. Классика — ланцетник. Образуется двуслойная гаструла (эктодерма + энтодерма), первичная кишка (гастроцель) и бластопор.

Деляминация («расслоение») — клетки стенки бластулы делятся тангентально, расслаиваясь на два листка. Типично для кишечнополостных.

Иммиграция — отдельные клетки «уходят» внутрь бластоцеля и формируют внутренний листок. Встречается у птиц и млекопитающих.

Эпиболия («обрастание») — быстро делящиеся мелкие клетки анимального полюса «наползают» на крупные макромеры вегетативного. Характерно для амфибий.

Характерен для первичноротых (черви, членистоногие, моллюски). У бластопора обособляются 2–4 крупные клетки — телобласты. Они делятся, формируя тяжи мезодермы. Целом образуется путём расщепления (схизоцель) внутри этих тяжей.

Характерен для вторичноротых (хордовые, иглокожие). Боковые стенки первичной кишки выпячиваются в бластоцель карманами → отшнуровываются → это и есть мезодерма с уже готовой целомической полостью внутри (энтероцель).

Хордомезодерма «командует» эктодерме сверху: та утолщается → нервная пластинка → загибается в желобок → края смыкаются → нервная трубка (будущий мозг и спинной мозг). Параллельно: хорда отделяется, мезодерма сегментируется на сомиты.

Эктодерма: ЦНС и ПНС, эпидермис, волосы, ногти, потовые и молочные железы, эмаль зубов, эпителий рта и прямой кишки.

Энтодерма: эпителий желудка и кишечника, печень, поджелудочная железа, лёгкие, щитовидная железа.

Мезодерма: скелет, мышцы, сердечно-сосудистая система, почки, половые органы, вся соединительная ткань, кровь.

В самом начале зародыш «живёт» за счёт материнских мРНК и белков из яйцеклетки. Собственные гены зародыша включаются постепенно: сначала — гены пролиферации, при гаструляции — первые тканеспецифические, при органогенезе — узкоспециализированные гены конкретных тканей.

Морфогенез — формирование пространственной организации и формы органов. Клеточные механизмы:

1. Пролиферация (деление).

2. Дифференцировка.

3. Направленная миграция клеток.

4. Эмбриональная индукция.

5. Избирательная клеточная адгезия.

6. Апоптоз (программируемая гибель клеток).

Все клетки тела имеют одинаковый геном, но выполняют разные функции. Дифференцировка — это включение одних генов и выключение других в каждом типе клеток. Механизм: эпигенетическая регуляция (метилирование ДНК, модификации гистонов), индуктивные сигналы от соседей. Необратима для большинства клеток.

Ооплазматическая сегрегация создаёт в зиготе «карту» с разными детерминантами (материнские мРНК и белки). При дроблении ядра попадают в зоны с разным химическим составом. Детерминанты проникают в ядра и избирательно активируют гены → первичная дифференцировка бластомеров ещё до гаструляции.

Компетенция — способность ткани реагировать на индуктивный сигнал (изменить судьбу в ответ на него).

Стволовые клетки в онтогенезе: зигота (тотипотентна) → клетки бластоцисты (плюрипотентны) → стволовые клетки тканей (мультипотентны) → клетки-предшественники одного типа (унипотентны). Путь только вниз по иерархии в норме.

Без миграции органы не построить. Клетки нервного гребня мигрируют по всему телу, образуя ганглии, клетки пигмента, клетки надпочечника. Гаструляция — тоже массовая пластовая миграция. Навигация клеток — по хемотаксису и молекулам адгезии внеклеточного матрикса.

Эмбриональная индукция — сигнал от одной группы клеток меняет судьбу другой. Клетки-индукторы выделяют морфогены.

Первичная индукция: дорсальная губа бластопора (организатор Шпемана) выделяет сигналы, которые превращают эктодерму сверху в нервную пластинку. Если пересадить этот кусочек в другое место зародыша — там тоже вырастет нервная ткань.

Каскад: нейруляция → нервная трубка сама становится индуктором → глазной пузырь индуцирует образование хрусталика → хрусталик индуцирует роговицу. Нарушение одного звена ломает всю цепочку. Механизм: диффузия морфогенов или прямые контакты клеток.

1. Прямые контакты: щелевые контакты (обмен малыми молекулами), десмосомы (механическое крепление).

2. Дистантные сигналы: факторы роста, нейромедиаторы, диффундирующие на несколько клеток.

3. Матрикс: клетки «читают» состав окружающего внеклеточного матрикса через интегрины.

Гормоны включаются на стадии гистогенеза и органогенеза. Они не определяют первичную судьбу клеток (это делают индукция и детерминанты), но координируют и ускоряют конечную дифференцировку. Пример: тиреоидные гормоны критичны для развития мозга, половые гормоны — для гениталий.

Клетки «узнают» своих и собираются вместе — через молекулы адгезии клеток (МАК, кадгерины). Гомофильная адгезия: одинаковые МАК притягиваются. Гетерофильная: разные МАК. Это и есть механизм сортировки клеток в ткани — как клетки «знают», куда сесть.

Апоптоз — запрограммированная гибель: клетка аккуратно «разбирает» себя изнутри, не вызывая воспаления. Нужен для формирования пальцев (удалить межпальцевые перепонки), полостей (ухо, глаз), правильной формы органов.

Некроз — патологическая гибель от повреждения: мембраны рвутся, содержимое выходит → воспаление.

Механизмы роста: пролиферация (деление клеток), гипертрофия (увеличение клеток), продукция матрикса.

Неограниченный (рыбы, рептилии) — продолжается всю жизнь.

Ограниченный (млекопитающие, человек) — останавливается после закрытия ростовых зон (эпифизарных пластин) в конце пубертата.

Общий рост — S-образная кривая: быстро до рождения, медленнее в детстве, скачок в пубертате (12–14 лет), стоп.

Мозг: опережает всё — 90% взрослой массы к 5 годам.

Тимус: пик в 10–12 лет, потом инволюция.

Гонады: спят до пубертата, затем резкий рост.

Рост — полигенный признак с высокой наследуемостью. Гены влияют через соматотропную ось: ГР → IGF-1 → рост хрящей. Торможение деления — через тканевые ингибиторы (кейлоны). Дефицит гормона роста → карликовость; его избыток → гигантизм.

Астенический: узкая грудь, длинные конечности, гипотония, склонность к язве и неврозам.

Нормостенический: пропорциональный, «средний». Склонность к болезням дыхательных путей.

Гиперстенический: массивный, короткий. Склонность к ожирению, диабету, атеросклерозу.

Старение — закономерный, прогрессирующий процесс снижения адаптивных способностей организма.

Программные гипотезы: старение запрограммировано в геноме, как эмбриогенез. Механизмы: укорочение теломер (лимит Хейфлика), запрограммированное изменение экспрессии «генов старения».

Старение — накопление случайных ошибок. Схема: мутагены → повреждения ДНК → деградация белков → поломка клеток → инволюция тканей → смерть. Это «изнашивание машины».

Митохондрии при работе «утекают» свободные радикалы (АФК — активные формы кислорода). Они повреждают мембраны и ДНК → накопление повреждений → старение. Антиоксиданты замедляют этот процесс. Теория Хармана (1956) — одна из самых популярных.

Чем эффективнее система репарации ДНК у вида, тем дольше он живёт. Доказано сравнительными исследованиями млекопитающих: у слонов репарация лучше, чем у мышей → слоны живут дольше. Ускоренное старение (прогерия) — болезни дефицита репарации ДНК.

Генетический: накопление мутаций ДНК, гиперметилирование промоторов (гены замолкают), гистоны крепче держат ДНК → транскрипция тормозится.

Молекулярный: гликация коллагена (ткани теряют эластичность), инактивация ферментов, накопление повреждённых белков и липидов.

Клетки останавливают деления (сенесценция). Накапливается «старческий пигмент» липофусцин. Митохондрии набухают и деградируют. Лизосомы нестабильны — «утекают» ферменты. Рибосомы теряются, синтез белка падает.

Паренхима органов атрофируется, заменяется соединительной тканью (фиброз). Тимус инволюирует → иммунитет падает. Нейродегенерация, сосуды теряют эластичность. На уровне организма: нарушение нейроэндокринной интеграции, снижение гомеостаза → возраст-ассоциированные болезни (атеросклероз, диабет, остеопороз).

Непрерывное обновление клеток, которое компенсирует их естественную убыль. Миллионы эритроцитов и клеток кишечника обновляются каждую секунду. Без физиологической регенерации организм быстро деградировал бы.

Молекулярный и субклеточный: синтез органелл заново. Единственный путь для нейронов и кардиомиоцитов — они не делятся, но обновляют свои внутренние структуры.

Клеточный: деление стволовых клеток-камбиев → замена погибших клеток новыми (кишечник, кожа, кровь).

Восстановление после повреждения. Признаки: 1) возникает после завершения эмбриогенеза; 2) запускается только повреждением. Цель — восстановить целостность. Масштаб варьирует от полного воссоздания органа (у некоторых беспозвоночных) до рубца (у млекопитающих).

Чем «проще» животное — тем лучше регенерирует. Губки, планарии — восстанавливают целый организм из крошечного фрагмента. Тритон — конечность, хрусталик глаза. Ящерица — хвост. Млекопитающие — только печень, кожа, некоторые кости. Человек — печень, периферические нервы.

Гомоморфоз — вырастает то же, что было ампутировано (нормальная регенерация).

Гетероморфоз — вырастает что-то другое. Пример: у рака вместо удалённого глаза вырастает антенна. Сбой в программе регенерации.

«Настоящая» регенерация: на срезанном конце образуется бластема — скопление недифференцированных пролиферирующих клеток. Из неё «надстраивается» новый орган. Пример: конечность тритона после ампутации.

Восстановление не за счёт роста из бластемы, а за счёт перестройки оставшегося фрагмента. Клетки дедифференцируются и переорганизуются в маленькую, но полноценную копию целого. Характерно для планарий и гидр — отрежь любой кусочек, он превратится в маленькую особь.

Рана заполняется грануляционной тканью, потом эпителизируется и рубцуется. Типичный способ для высших млекопитающих и человека при повреждениях кожи и наружных органов. Форма органа не восстанавливается.

При удалении части внутреннего органа его форма не восстанавливается, но оставшаяся часть гипертрофируется и гиперплазируется → восстанавливает массу и функцию. Пример: после удаления 2/3 печени она восстанавливает исходную массу через несколько недель.

Процесс многоуровневый: от органного до субклеточного. Внутриклеточная регенерация (Д.С. Саркисов) — гиперплазия органелл внутри одной клетки, полиплоидизация ядра. Это путь для клеток, утративших способность к митозу (кардиомиоциты): «прокачать» то, что есть, вместо того чтобы делиться.

Механизмы одинаковы. Разница: регенерационная — в том же органе, который пострадал. Компенсаторная — в парном органе, когда второй удалён (викарная гипертрофия). Пример: удаление одной почки → вторая увеличивается в 1,5–2 раза.

Генетический потенциал к регенерации у теплокровных не исчез — он перераспределился в другие формы. Эпиморфоз (кроме рогов оленя) редуцирован. Вместо этого: мощная система внутриклеточной регенерации, рубцевание, компенсаторная гипертрофия. Причина: сложная специализация тканей и жёсткий нейроэндокринный контроль.

1. Паракринные факторы ткани: факторы роста (стимулируют) и кейлоны (тормозят деление).

2. Эндокринный контроль: тиреоидные и стероидные гормоны модулируют скорость регенерации.

3. Нейротрофический контроль: нервная иннервация критична — без нервов регенерат у тритона не вырастет (аксоны доставляют трофические пептиды).

Стволовые клетки (СК) — самообновляющиеся клетки-«прородители». Делятся асимметрично: одна дочь — снова СК, другая — начинает дифференцироваться.

1. Тотипотентные (зигота) → дадут любую клетку организма.

2. Плюрипотентные (ЭСК) → все три листка.

3. Мультипотентные (региональные, взрослые СК) → несколько типов клеток своей ткани.

4. Унипотентные → один тип клеток.

Гемопоэтические СК (ГСК) — в костном мозге. Дают всё: эритроциты, тромбоциты, все виды лейкоцитов. Трансплантация ГСК = основа лечения лейкозов.

Мезенхимальные СК (МСК) — строма костного мозга. Коммитируются в кость, хрящ, жировую ткань, мышцы. Участвуют в репарации соединительной ткани.

С возрастом регенераторная способность снижается: пул стволовых клеток истощается, факторы роста синтезируются хуже, матрикс деградирует. Заживление ран у детей — молниеносное, у пожилых — медленное и неполное. Старение = постепенное истощение регенеративного потенциала.

У рыб и амфибий. Главный «командный центр» — крыша среднего мозга (зрительные доли). Передний мозг развит слабо, работает как «нос» (обоняние). Мозжечок — у кого как, зависит от образа жизни.

У рептилий и птиц. Главный центр переехал в передний мозг, но не в кору — а в базальные ганглии (полосатые тела). Появляется зачаток коры. Средний мозг уступает своё главенство, мозжечок гипертрофирован (сложная координация — полёт).

У млекопитающих. Революция: власть переходит к новой коре больших полушарий (неокортексу) — высший анализ, обучение, мышление. Появляется мозолистое тело (связь между полушариями). Средний мозг → четверохолмие (рефлекторные центры зрения и слуха).

Рахисхизис (spina bifida) — нервная трубка не замкнулась полностью.

Прозэнцефалия — передний мозг не разделился на два полушария (летально).

Агирия (лиссэнцефалия) — кора гладкая, без извилин. Тяжелейшая умственная отсталость.

Пахигирия — мало толстых извилин, нарушена миграция нейронов.

Эктопия кордис — сердце вне грудной клетки. Двухкамерное сердце — отсутствие перегородок. ДМПП и ДМЖП — дефекты перегородок, через них течёт кровь в «неправильном» направлении → перегрузка лёгочного круга или гипоксия.

Из 6 пар жаберных дуг у млекопитающих в сосуды превращаются только некоторые:

3-я пара → общие сонные артерии.

4-я пара: левая → дуга аорты; правая → правая подключичная артерия.

6-я пара → лёгочные артерии + Боталлов проток (закрывается после рождения).

1, 2, 5-я пары редуцируются.

Сосудистое кольцо — обе дуги аорты сохранились, давят на трахею/пищевод.

Общий артериальный ствол — аорта и лёгочный ствол не разделились.

Открытый Боталлов проток — не закрылся после рождения.

Транспозиция магистральных сосудов — аорта идёт из правого желудочка, лёгочная артерия — из левого. Несовместимо с жизнью без операции.

Овотестис (первичный гермафродитизм) — в гонаде ткань и яичника, и яичка.

Крипторхизм — яички не опустились в мошонку. Риск бесплодия и рака яичка.

Мужская маточка — рудимент мюллерова протока в простате (у мужчин мюллеров проток должен атрофироваться).

Примитивная почка — рудимент у млекопитающих. Нефроны открываются воронкой в целом. Нет избирательного всасывания — всё, что отфильтровалось, уходит. Функционирует у бесчелюстных рыб.

Появляется клубочек (гломерул) + боуменова капсула — прямой контакт крови и нефрона. Есть частичная реабсорбция. Функциональная почка рыб и амфибий.

Почка рептилий, птиц и млекопитающих. Нефронов много. Нет воронки (изоляция от целома). Есть петля Генле — механизм концентрирования мочи. Это позволяет экономить воду и переходить к наземному образу жизни.

Дольчатая почка — сохраняется эмбриональная сегментация.

Удвоение почки или мочеточника — аномалия ветвления мочеточникового дивертикула.

Подковообразная почка — обе почки срастаются нижними полюсами и не «поднялись» в нужное место (остались в тазу).

Мюллеров канал (парамезонефрический) → у женщин: маточные трубы, матка, верхняя треть влагалища. Пороки: двурогая матка, удвоение матки (дидельфия), аплазия матки или влагалища.

Вольфов канал (мезонефрический) → у мужчин: придаток яичка, семявыносящий проток, семенные пузырьки. У женщин должен атрофироваться — если не атрофируется, остаются кисты Гартнера (рудиментарные каналы) в стенке влагалища.

У рыб нёба нет — ротовая и носовая полости общие. У млекопитающих в онтогенезе боковые нёбные отростки верхней челюсти растут навстречу друг другу и к носовой перегородке, срастаясь в твёрдое нёбо. Атавизмы: расщелина нёба («волчья пасть») — нёбные отростки не срослись; «заячья губа» — не срослись губные валики.

1. Полиодонтия — сверхкомплектные зубы (атавизм многозубых предков).

2. Тремы (диастема) — промежутки между зубами, как у гоминид.

3. Гетероморфия клыков — слишком крупные клыки (рудимент фанер).

4. Тауродонтия — зубы с увеличенной пульпарной камерой (черта древних гоминид).

Меккелев дивертикул — рудимент желточного протока на подвздошной кишке (у 2% людей; может воспаляться, имитируя аппендицит).

Дивертикул Меккеля — самый частый порок ЖКТ. Гетеротопия — слизистая желудка в кишке.

Кольцевидная поджелудочная железа — охватывает двенадцатиперстную кишку кольцом и сдавливает её.

Добавочная печень — аберрантные доли печени (атавизм многодольчатой печени предков).

Из жаберных щелей у человека образуются: слуховая труба, полость среднего уха (1-я щель), паращитовидные железы, тимус (3–4-я щели). При нарушениях: боковые кисты шеи (незаросшие II–IV щели), свищи шеи, синдром ДиДжорджи (аплазия тимуса и паращитовидных желёз → иммунодефицит + тетания).

Entamoeba histolytica существует в трёх формах:

Мелкая (просветная, forma minuta) — безвредный «квартирант» толстой кишки, питается бактериями, никого не трогает.

Крупная (вегетативная, forma magna) — агрессивная, патогенная: пожирает эритроциты («гематофаг»), активно образует широкие псевдоподии и быстро движется.

Тканевая — самая опасная: проникает в подслизистый слой кишки, расплавляет (лизирует) ткани, вызывая кровоточащие язвы, и может попадать в кровоток.

Эксцистирование — выход амёбы из цисты. Происходит в конце тонкого кишечника: пищеварительные ферменты растворяют оболочку 4-ядерной цисты. Из неё выходит многоядерная амёба, которая сразу делится митозом на 8 одноядерных трофозоитов (мелкую просветную форму) — они расселяются в слепую кишку.

Инцистирование — превращение в цисту. Происходит, когда просветная форма попадает в нижние, более сухие отделы толстой кишки. Амёба втягивает псевдоподии, выделяет плотную белковую оболочку, ядро дважды делится — получается зрелая 4-ядерная циста. Заражённый человек не болеет, но становится бессимптомным цистоносителем.

Пока иммунитет в порядке, амёба живёт безобидной просветной формой. При снижении иммунитета она перерождается в агрессивную крупную вегетативную форму (forma magna). Эта форма внедряется в эпителий кишки, разрушает ткани и поглощает эритроциты — развивается острый амебиаз с кровавым поносом. Сама форма magna во внешней среде нестойкая и быстро гибнет.

Путь заражения — фекально-оральный (через воду, плохо вымытые овощи). Источник — бессимптомный цистоноситель: он выделяет устойчивые цисты, способные пережить внешнюю среду. Больной с острым амебиазом, наоборот, почти не заразен — его вегетативные формы быстро погибают вне организма.

Диагностика: микроскопия свежего кала (ищут крупную вегетативную форму с проглоченными эритроцитами внутри); при подозрении на абсцессы — ИФА и ПЦР.

Giardia lamblia — трофозоит грушевидной формы, симметричный (10–15 мкм). На брюшной стороне — мощный присасывательный диск, которым она прикрепляется к ворсинкам тонкой кишки. Внутри: целых 2 ядра, 4 пары жгутиков для движения и аксостиль (внутренний скелет). Питается осмотически — всасывает питательные вещества всей поверхностью.

В 12-перстной кишке из проглоченной цисты выходят сразу 2 трофозоита, которые активно заселяют ворсинки и размножаются. Когда кишечное содержимое несёт их в толстую кишку, они превращаются обратно в овальные 4-ядерные цисты, выходящие с калом.

Заражение — фекально-оральное: грязные руки, мухи-переносчики. Источник — больной человек.

Trichomonas vaginalis — жгутиконосец, у которого нет стадии цисты: живёт только в активной подвижной форме. Локализация: мочеполовой тракт (влагалище, уретра, простата). Заражение — исключительно половым путём.

Диагностика: микроскопия свежего мазка (видно характерное движение ундулирующей мембраны), ПЦР. Профилактика: барьерная контрацепция, обязательное лечение обоих партнёров.

Balantidium coli — крупнейшая патогенная инфузория, до 200 мкм. Трофозоит яйцевидной формы, всё тело покрыто ресничками. Есть клеточный «рот» (цитостом), крупное вегетативное ядро (макронуклеус) и маленькое — микронуклеус.

Циста (около 60 мкм) — круглая, с двойной защитной оболочкой, внутри сохраняется макронуклеус.

Источник — домашние и дикие свиньи (у них инвазия протекает без симптомов). Заражение — фекально-оральное: проглатывание цист с водой, продуктами или через контакт с навозом.

Цикл: из проглоченной цисты в кишечнике выходит трофозоит и заселяет слепую кишку. Он внедряется в слизистую, выделяя гиалуронидазу, и формирует глубокие язвы. В нижних отделах трофозоиты превращаются в цисты и выходят наружу. Человек — «биологический тупик»: дальше паразит не передаётся.

Toxoplasma gondii — облигатный внутриклеточный паразит. Вегетативная форма (тахизоит) похожа на дольку апельсина (полумесяц), размер 4–7 мкм. На переднем конце — апикальный комплекс: коноид (механически пробивает мембрану клетки-хозяина) и роптрии (выделяют ферменты для проникновения). Любит селиться в макрофагах, нейронах мозга, мышце сердца, скелетных мышцах и тканях плаценты.

Окончательный хозяин — семейство кошачьих. Кошка заражается, съедая грызуна с тканевыми цистами или проглатывая ооцисты. В клетках кишечника кошки: 1) шизогония (бесполое деление), 2) гаметогония (образование гамет), 3) оплодотворение. Зигота одевается оболочкой → ооциста выходит с калом. Во внешней среде идёт спорогония — образуются 2 спороцисты, в каждой по 4 спорозоита.

Промежуточные хозяева — любые млекопитающие (включая человека) и птицы. После проглатывания ооцист паразиты проникают в кишечные макрофаги и разносятся кровью. Внутри клеток они размножаются эндодиогенией, образуя скопления быстро делящихся тахизоитов (острая стадия).

Когда иммунная система берёт контроль, паразит формирует плотные тканевые цисты с медленно делящимися брадизоитами. Такие цисты остаются в мозге и мышцах всю жизнь.

Три пути заражения: 1. Алиментарный — сырое или плохо прожаренное мясо с тканевыми цистами. 2. Контактно-бытовой / геооральный — ооцисты из кошачьих фекалий при уборке лотка. 3. Трансплацентарный — от матери к плоду, особенно опасен при первом заражении во время беременности.

Диагностика: серология (ИФА — IgM при острой фазе, IgG при перенесённой), ПЦР спинномозговой жидкости и околоплодных вод; прямое обнаружение паразита (биопсия) — редко.

Заражающая стадия — спорозоит, который комар Anopheles вводит со слюной. С кровью спорозоиты попадают в печень и внедряются в гепатоциты. Там начинается тканевая (экзоэритроцитарная) шизогония: спорозоит → трофозоит → шизонт (ядро многократно делится). Гепатоцит разрушается, в кровь выходят тысячи тканевых мерозоитов. У некоторых видов часть паразитов «спит» в печени (гипнозоиты) — причина поздних рецидивов малярии.

Тканевые мерозоиты внедряются в эритроциты. Паразит проходит стадии: кольцевидный трофозоит → амебовидный трофозоит (съедает гемоглобин, копит тёмный пигмент гемозоин) → шизонт. Делясь, шизонт образует 8–24 эритроцитарных мерозоита. Эритроцит лопается, мерозоиты выходят и тут же внедряются в новые эритроциты. Именно синхронный разрыв миллионов эритроцитов вызывает классический приступ малярийной лихорадки.

Окончательный хозяин — самка комара Anopheles (не человек!). Она проглатывает с кровью гаметоциты → в желудке комара образуются макро- и микрогаметы → копуляция → подвижная зигота (оокинета) → пробуравливает стенку желудка → снаружи превращается в ооцисту → внутри ооцисты спорогония → тысячи спорозоитов → мигрируют в слюнные железы. Теперь комар заразен.

Патогенез: массовое разрушение эритроцитов и выброс токсичного гемозоина вызывают тяжёлую интоксикацию. Классический малярийный приступ: озноб → жар до 41°C → проливной пот. Гемолитическая анемия, увеличение печени и селезёнки. При тропической малярии (P. falciparum) — закупорка мозговых сосудов: церебральная малярия.

Диагностика: «золотой стандарт» — микроскопия мазка крови («толстая капля» и тонкий мазок, окраска по Романовскому-Гимзе). Дополнительно — ПЦР.

Opisthorchis felineus (описторхоз). Окончательный хозяин: человек, кошка, собака, лиса (живёт в желчных протоках печени).

Яйцо с мирацидием выходит с калом → в воде проглатывается первым промежуточным хозяином — моллюском Bithynia. Бесполое размножение: мирацидий → спороциста → редия → церкарий.

Церкарии выходят в воду и внедряются во второго промежуточного хозяина — рыб семейства карповых, где инцистируются в мышцах в виде метацеркариев. Человек заражается, съев сырую, вяленую или плохо прожаренную рыбу.

Paragonimus westermani (парагонимоз). Окончательный хозяин: человек, собаки, кошки, тигры (паразитирует в бронхиолах лёгких).

Яйца выходят с мокротой или калом в воду → плавающий мирацидий заражает первого промежуточного хозяина — моллюсков рода Melania (спороциста → редии → церкарии).

Церкарии внедряются во второго промежуточного хозяина — пресноводных крабов и раков, образуя метацеркарии. Окончательный хозяин заражается, съев сырых ракообразных; личинка прободает кишечник, диафрагму и добирается до лёгких.

Fasciola hepatica (фасциолёз). Окончательный хозяин: травоядные (КРС, мелкий скот), лошади, человек (живёт в желчных путях). Промежуточный хозяин: моллюск малый прудовик.

Яйцо в воде → ресничный мирацидий → внедряется в моллюска: спороциста → редии → церкарии.

Хвостатые церкарии выходят в воду, оседают на водных растениях → превращаются в адолескарии (инвазионная форма). Травоядные (или человек) заражаются, съев заливную траву или выпив загрязнённую воду. Личинка прободает стенку кишки и капсулу печени, оседая в желчных протоках.

Taenia solium (тениоз). Окончательный хозяин: человек (тонкая кишка). Промежуточный хозяин: свинья, иногда сам человек.

Зрелые членики с яйцами выходят с фекалиями. Свинья проглатывает яйца → в желудке выходит 6-крючная онкосфера → пробивает стенку сосудов кишки → разносится кровью → оседает в мышцах → превращается в пузырчатую финну — цистицерк (пузырёк с одним вывернутым внутрь сколексом).

Человек заражается, съев термически не обработанную свинину с финнами. В кишечнике сколекс выворачивается и прикрепляется к слизистой.

Цистицеркоз — опасное состояние, когда сам человек становится промежуточным хозяином свиного цепня. Пути заражения: фекально-оральный (яйца с грязных рук — экзогенный) или аутоинвазия — при рвоте/антиперистальтике зрелые членики с яйцами забрасываются из кишечника в желудок, где оболочки яиц растворяются.

Вышедшие онкосферы разносятся кровью и оседают в тканях, формируя цистицерки. Особо опасна локализация в головном мозге (нейроцистицеркоз — судороги, смерть), а также в глазах, сердце, мышцах. Профилактика: строгая гигиена, своевременное купирование рвоты при лечении тениоза.

Taeniarhynchus saginatus (тениаринхоз). Окончательный хозяин: человек (тонкая кишка). Промежуточный хозяин: крупный рогатый скот, олени, буйволы.

Членики активно выползают из анального отверстия человека или выходят с калом. Скот проглатывает яйца → онкосфера разносится кровью в мышечную ткань → превращается в инвазионный цистицерк.

Человек заражается, съев сырую или полусырую говядину. В кишечнике сколекс выворачивается и прикрепляется к слизистой.

Hymenolepis nana (гименолепидоз). Особенность: человек одновременно служит и промежуточным, и окончательным хозяином — весь цикл может пройти в одном организме.

Заражение — проглатывание яиц. В тонкой кишке онкосфера внедряется в ворсинку слизистой (тканевая фаза) → превращается в финну — цистицеркоид. Через 5–8 дней ворсинка разрушается, цистицеркоид выходит в просвет кишки, прикрепляется сколексом и созревает во взрослого червя.

Характерна внутрикишечная аутоинвазия: яйца сразу, не выходя наружу, заражают новые ворсинки → массивное самозаражение.

Мелкая цестода, всего 1–5 см. Патогенез: механическое повреждение кишечных ворсинок цистицеркоидами + токсико-аллергическое действие продуктов обмена взрослого червя. Клиника: боли в животе, расстройства пищеварения, иногда неврологические симптомы.

Диагностика: копроовоскопия — поиск прозрачных овальных яиц с онкосферой внутри. Профилактика: строгая санитарная гигиена, особенно в детских коллективах — из-за лёгкости само- и повторного заражения.

Echinococcus granulosus (эхинококкоз). Окончательный хозяин: псовые (собаки, волки, шакалы) — у них в кишечнике живёт крошечная цестода 3–5 мм. Промежуточный хозяин: травоядные (овцы, КРС, свиньи) и человек.

Собаки выделяют членики, загрязняющие шерсть и среду. Промежуточный хозяин проглатывает яйца → онкосфера проникает в воротную вену → оседает в печени → превращается в огромную однокамерную финну — эхинококковую кисту с дочерними пузырями внутри. Человек — биологический тупик: от него паразит дальше не передаётся.

Alveococcus multilocularis (альвеококкоз). Окончательный хозяин: дикие хищники (лисица, песец, волк). Промежуточный хозяин: мышевидные грызуны (и человек).

Человек заражается через немытые ягоды/травы или контакт со шкурами. В печени онкосфера формирует финну — конгломерат множества микроскопических пузырьков без жидкости, растущих наружу (экзогенно). Рост злокачественный, инфильтрирующий, со способностью метастазировать в лёгкие и мозг — самая опасная финна среди цестод человека.

Diphyllobothrium latum (дифиллоботриоз). Окончательный хозяин: человек, рыбоядные хищники (живёт в тонкой кишке).

Яйца → в воду → личинка-корацидий → проглатывается первым промежуточным хозяином — рачком-циклопом → внутри превращается в процеркоид.

Рачка съедает второй промежуточный хозяин — хищная рыба (щука, налим): процеркоид перебирается в мускулатуру → становится плероцеркоидом. Человек заражается, съев сырую, малосольную рыбу или икру.

Цепни (Циклофиллидеи): матка закрытого типа — яйца выходят только когда сам членик разрушается. У бычьего цепня матка имеет 17–35 боковых ветвей, у свиного — 7–12 (ключевой признак для различения под микроскопом).

Лентец широкий (Псевдофиллидеи): членики короткие и широкие, матка имеет собственное выводное отверстие и форму розетки. Яйца выделяются непрерывно прямо через это отверстие и снабжены крышечкой на одном из полюсов.

Половозрелые особи: эхинококк (3–5 мм), 3–4 членика, матка с боковыми выпячиваниями. Альвеококк мельче (до 2 мм), крючьев на сколексе меньше, матка шаровидной формы.

Финны: финна эхинококка — крупная однокамерная киста с жидкостью, дочерние пузырьки растут изнутри (эндогенно), рост — раздвигающий ткани. Финна альвеококка — плотный узел из множества микропузырьков без жидкости, рост — наружу (экзогенно) и инвазивный, с метастазами.

Enterobius vermicularis (энтеробиоз). Небольшой белый червь: самка 9–12 мм, самец 3–5 мм. На переднем конце — пузыревидное вздутие (везикула), с помощью которого острица «присасывается» к слизистой кишки. Локализация: слепая кишка и нижний отдел тонкой кишки.

Диагностика: не копроовоскопия, а метод «липкой ленты» (перианальный соскоб) — самки ночью выползают к анусу и откладывают там яйца. Зуд в перианальной области ночью — типичный симптом.

Цикл простой — один хозяин (человек). Самки ночью выползают на кожу промежности, откладывают яйца в складках кожи. Яйца созревают за 4–6 часов прямо на коже. Заражение — аутоинвазия: через расчёсы и немытые руки яйца снова попадают в рот (аногенитально-оральный путь). Также — через бельё, постельные принадлежности. Развитие от яйца до взрослой острицы — 2–4 недели.

Ascaris lumbricoides (аскаридоз). Крупный червь: самка до 40 см, самец 15–25 см. Розовато-белые. Тело заострено с обоих концов. Локализация: тонкая кишка (взрослые черви); лёгкие и печень (личинки в период миграции).

Диагностика: копроовоскопия — поиск яиц (крупные, 50–70 мкм, с бугристой белковой оболочкой). В период миграции личинок — рентген лёгких, исследование мокроты.

Один хозяин — человек. Яйца выходят с калом и должны созреть в почве (геогельминт) — нужны O₂ и влажность, примерно 2–4 недели. Человек проглатывает зрелые яйца с загрязнёнными овощами, водой, немытыми руками.

В кишечнике из яйца выходит личинка → пробивает стенку кишки → через вены → лёгкие (лёгочная стадия: кашель, личинка заглатывается со слизью) → тонкая кишка → созревает во взрослого червя. Полный цикл — 2–3 месяца.

Trichuris trichiura (трихоцефалёз). Тело резко делится: передний конец нитевидный (в 3–4 раза длиннее), задний — утолщённый. Самка 35–50 мм, самец 30–45 мм. Именно передний конец буквально «вшивается» в слизистую слепой кишки — отсюда и название «власоглав».

Диагностика: копроовоскопия — яйца бочонкообразной формы с характерными пробочками на полюсах, коричневые.

Trichinella spiralis (трихинеллёз). Уникальность: один и тот же организм является одновременно и окончательным, и промежуточным хозяином. Окончательные хозяева — хищники и всеядные: свиньи, медведи, кабаны, человек.

Человек съедает мясо с инцистированными личинками → в кишечнике личинки созревают во взрослых червей (тонкая кишка) → самки рожают живых личинок → те через лимфу и кровь разносятся в скелетные мышцы → инцистируются. Мясо больного человека или животного — источник заражения для следующего хозяина.

Мельчайшая нематода: взрослая самка 3–4 мм, самец 1,5 мм. Локализация: взрослые черви — тонкая кишка (кишечная фаза); личинки — скелетные мышцы (мышечная фаза), особенно диафрагма, жевательные мышцы, межрёберные.

Диагностика: трихинеллоскопия — микроскопия биоптата мышц (личинка видна в капсуле в форме спирали). Также ИФА (антитела). Контроль мяса на бойне — обязателен.

Иксодовые клещи — треххозяинные. Метаморфоз: яйцо → личинка (6 ног) → нимфа → имаго.

Личинка питается на мелких грызунах (мыши, полёвки), птицах. Насытившись, падает и линяет в нимфу.

Нимфа питается на средних млекопитающих (белки, ежи, зайцы). Затем линяет в имаго.

Имаго питается на крупных млекопитающих (олень, лиса, собака, человек). Полный цикл занимает 3–4 года.

Ixodes persulcatus (таёжный клещ) и Ixodes ricinus (собачий клещ) — переносчики и резервуары вируса клещевого энцефалита, болезни Лайма (боррелиоз) и туляремии.

Dermacentor pictus и D. marginatus — переносят клещевой энцефалит, омскую геморрагическую лихорадку, сыпнотифозные риккетсиозы.

Аргасовые клещи лишены спинного щитка, тело покрыто эластичной кожистой кутикулой. Ротовой аппарат смещён вентрально — не виден со спины. Живут десятилетиями, питаются коротко (минуты), самки откладывают яйца после каждого питания.

Поселковый клещ (Ornithodorus papillipes) — специфический вектор и резервуар спирохет, возбудителей эндемического возвратного клещевого тифа.

Sarcoptes scabiei — возбудитель чесотки. Эндопаразит (0,3 мм), форма широкоовальная. Ноги редуцированы, с присосками. Дыхание кожей, глаз нет. Самки прогрызают ходы в роговом слое кожи (межпальцевые складки, запястья), откладывая там яйца. Патогенез: аллергическая реакция на экскременты вызывает сильный ночной зуд. Передача — контактно-бытовым путём (прямой контакт кожи).

Pediculus humanus capitis. Облигатный эктопаразит, 2–3 мм. Колюще-сосущий ротовой аппарат. На лапках мощный коготок для фиксации на волосах. Метаморфоз неполный. Гниды (яйца) приклеиваются к волосам. Медицинское значение: слюна вызывает зуд, дерматит, вторичную пиодермию. Как переносчик заболеваний — значение минимально (в отличие от платяной вши).

Pediculus humanus corporis. Крупнее головной вши (до 4,7 мм), пигментация слабее. Локализуется в складках одежды, на кожу переходит только для питания.

Медицинское значение колоссально: специфический переносчик сыпного тифа (риккетсии Провачека) и вшивого возвратного тифа. Заражение — через втирание инфицированных фекалий или раздавленной вши в расчёсы (контаминация), а не через укус.

Pulex irritans. Временный эктопаразит. Тело уплощено с боков, крыльев нет. Третья пара ног — прыгательный аппарат. Метаморфоз полный: яйцо → личинка → куколка → имаго.

Медицинское значение: специфический переносчик чумной палочки (Yersinia pestis). Бактерии блокируют преджелудок («чумной блок»), блоха срыгивает инфекционный материал в ранку. Также переносит крысиный тиф и туляремию.

Anopheles — переносчики малярийных плазмодиев. Aedes — вирусы жёлтой лихорадки, Денге, Зика. Culex — лихорадка Западного Нила, филяриатозы.

Профилактика: репелленты и защитные сетки; дезинсекция помещений; мелиорация (осушение водоёмов — ликвидация мест выплода); биологический контроль (рыбы гамбузии поедают личинок); противомалярийные препараты при выезде в эндемичные регионы.

1. Облигатный — паразитический образ жизни обязателен для выживания вида (цепни, плазмодии, вши).

2. Факультативный — свободноживущий организм, способный при случайном попадании в хозяина перейти к паразитизму.

3. Ложный (псевдопаразитизм) — временное выживание свободноживущих организмов в ЖКТ.

4. По локализации: Эндопаразиты (внутри органов) и Эктопаразиты (на кожных покровах).

1. Алиментарный — проглатывание цист/яиц (аскарида, лямблия).

2. Аспирационный — ингаляция аэрозоля.

3. Перкутанный (активный) — прямое пенетрирующее внедрение через кожу (шистосомы, анкилостомы).

4. Контактно-бытовой — передача через предметы (чесоточный клещ, острица).

5. Трансмиссивный — через кровососущих членистоногих (малярия).

6. Трансплацентарный — от матери к плоду (токсоплазма).

7. Ятрогенный / трансфузионный — при переливании крови.

Специализация включает морфофизиологический регресс и гиперпрогресс:

1. Развитие мощных органов фиксации (присоски, крючья).

2. Защита покровов от ферментов хозяина (тегумент цестод и трематод).

3. Редукция локомоторной и сенсорной систем; у цестод — полная утрата пищеварительной трубки.

4. Колоссальная репродуктивная гипертрофия (сотни тысяч яиц) и полиэмбриония — компенсация малого шанса инвазии.

Дефинитивный (окончательный) хозяин — организм, в котором паразит достигает половой зрелости и размножается половым путём.

Промежуточный хозяин — организм, необходимый для развития личиночных стадий (иногда с бесполым размножением).

Резервуарный хозяин — организм, в котором паразит персистирует и накапливается без дальнейшего развития, поддерживая природный очаг инвазии.

Антропонозы — инфекции, резервуаром которых служит исключительно человек (передача «человек → человек»). Примеры: малярия, энтеробиоз, аскаридоз, трихомониаз.

Зоонозы — заболевания, циркулирующие среди животных; человек вовлекается как факультативное звено. Примеры: трихинеллёз, описторхоз, фасциолёз, токсоплазмоз, эхинококкоз.

1. Механическое: деструкция эпителия, компрессия тканей кистами (эхинококк), окклюзия протоков (клубок аскарид).

2. Трофическое: истощение, поглощение витаминов (лентец широкий поглощает витамин B₁₂ → анемия).

3. Токсико-аллергическое: метаболиты паразитов — мощные антигены, вызывающие гиперэозинофилию, анафилаксию, некрозы органов (аллергический миокардит при трихинеллёзе).

Неспецифические (адаптивные): дегрануляция тучных клеток (гистамин), формирование гранулём и фиброзных капсул вокруг паразита — изоляция (эхинококковая киста в печени).

Специфические (иммунные): гуморальный иммунитет — выработка IgG, IgE для опсонизации; клеточный иммунитет — активация эозинофилов, способных лизировать кутикулу личинок.

Учение Е.Н. Павловского: трансмиссивные зоонозы существуют в дикой природе автономно. Человек заболевает, только попадая в эндемичный биогеоценоз. Компоненты природного очага:

1. Патоген (возбудитель);

2. Донор/Резервуар (дикое позвоночное животное);

3. Вектор (кровососущий переносчик);

4. Биотоп (оптимальные природно-климатические условия).