Лекция 1. Введение. Молекулярные основы наследственности

Лекция 1. Введение. Молекулярные основы наследственности

Введение

Генетика (от греч. genesis - происхождение) как наука о закономерностях наследственности и изменчивости организмов прошла несколько этапов развития, в результате которого появились современные знания о генетических основах структурно-функциональной организации живой материи.

· I этап (1900-1930 гг.) – период классической генетики, развитие менделизма;

· IIэтап (1930-1953 гг.) – разработка и пересмотр ряда положений классической генетики;

· IIIэтап (с 1953 г. по настоящее время) – проникновение генетики в смежные науки, появление новых ее разделов (цитогенетика, молекулярная генетика, медицинская генетика).

Гипотезы о природе наследственности и изменчивости высказывались еще в глубокой древности, когда человек производил бессознательный отбор растений и животных с наиболее ценными для себя качествами и свойствами.

Первая работа по наследственности и изменчивости датируется XVII в. Это работа Р. Камерариуса о дифференциации пола у растений. В 50-х годах XVIII в. уже проводятся исследования по гибридизации растений (Дж. Кельрейтер).

Толчком к развитию науки о наследственности и изменчивости послужили работы Ч. Дарвина.

В 1865 г. чешский естествоиспытатель Г. Мендель по результатам своих опытов с различными сортами гороха разработал методы генетического анализа и сформулировал основные законы генетики. Его учение о наследственных факторах послужило основой для создания теории гена. Результаты и значимость опытов Г. Менделя были осмыслены и оценены в 1900 г., после того как независимо друг от друга Г. де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак вторично открыли законы Г. Менделя о наследовании признаков.

В 1911 г. Т. Морган с сотрудниками экспериментально доказали связь наследственных единиц (генов) с хромосомами и сформулировали хромосомную теорию наследственности.

В 1925-1927 гг. рядом отечественных (Г.А. Надсон, Г.С. Филиппов, И.А. Раппопорт) и зарубежных (Г. Меллер, Л. Стадлер) исследователей была экспериментально доказана изменчивость генов (мутации) под воздействием факторов окружающей среды (рентгеновские лучи). Опыты на дрожжах и на растениях заложили основы радиационной генетики и учения об искусственном мутагенезе.

С.С. Четвериков с сотрудниками (1926-1929 гг.), объединив положения менделизма и эволюционной теории Ч. Дарвина, проведя многочисленные исследования частот генов в популяциях, стали основоположниками популяционной и эволюционной генетики. Дальнейшему развитию этих направлений способствовали исследования С. Райта, Р. Фишера, Дж. Холдейна и школ отечественных исследователей Ф.Г. Добржанского, Д.Д. Ромашова, Н.П. Дубинина, Н.В. Тимофеева-Ресовского. Результаты работ этих авторов позволили сформулировать основные положения современной синтетической теории эволюции.

Важным этапом в развитии молекулярной генетики явилось предположение Н.К. Кольцова (1928 г.) о матричной теории ауторепродукции хромосом, о связи наследственных единиц - генов с конкретным химическим веществом (белковыми радикалами).

Неоценимый вклад в развитие мировой и отечественной генетики внес академик Н.И. Вавилов. Им сформулирован закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости, показано единство генетики и селекции (1920-1943 гг.), собран самый большой генофонд культурных растений мира (свыше 250 тыс. экземпляров), хранящихся во Всесоюзном институте растениеводства (Санкт-Петербург).

Ф. Гриффите (1928 г.), О. Эйвери, С.Мак-Леод и М. Мак-Карти (1944 г.) в опытах на микроорганизмах показали, что веществом наследственности является не белок, как считали ранее, а ДНК. Проникновение в генетику методов химии и физики определило становление и развитие молекулярной генетики.

Гениальная работа Дж. Уотсона, Ф. Крика и М. Уилкинса (1953 г.) по расшифровке структуры "нити жизни" – молекулы ДНК – позволила раскрыть тайну генетического кода, механизмы биосинтеза полипептидов в клетке и передачи генетической информации.

Важным событием в развитии генетики явилось создание концепции передачи генетической информации: ДНК -» и-РНК -» белок (полипептид). Г. Тимин и Д. Балтимор (1970 г.) показали возможность обратной передачи генетической информации с РНК на ДНК с участием фермента обратной транскриптазы. Эти исследования заложили основы генной инженерии, позволяющей конструировать клетки и организмы с новой генетической программой путем переноса генетической информации из одного организма в другой.

В настоящее время генетика тесно связана с цитологией, эмбриологией, тератологией, микробиологией, иммунологией, биохимией, биофизикой, радиобиологией, медициной, систематикой, селекцией, эволюционным учением. Она изучает и анализирует закономерности наследственности и изменчивости на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.

Начало развития медицинской генетики относится к 30-м годам XX в. и связано с работами ленинградского невропатолога академика С.Н. Давиденкова и сотрудников первого в мире Медико-генетического института, созданного в Москве профессором С.Г. Левитом. Именно С.Н. Давиденков заложил основы медико-генетического консультирования на примере нервно-психических заболеваний и показал генетическую гетерогенность многих форм наследственной патологии. Высокую оценку на международном уровне получили генетические исследования сотрудников Медико-генетического института по проблемам наследования сахарного диабета и мультифакториальной патологии (язвенной и гипертонической болезней и др.). В 50-е годы благодаря новому поколению генетиков (Н.П. Дубинин, Н.В. Тимофеев-Ресовский, И.А. Раппопорт; В.П. Эфроимсон, А.А. Прокофьева-Бельговская, Н.П. Бочков) медицинская генетика получила стимул для дальнейшего развития.

Широкому внедрению методов медицинской генетики в практику здравоохранения способствовал созданный в Москве (1969 г.) по инициативе академика Н.П. Бочкова Институт медицинской генетики Академии медицинских наук СССР.

Начало развития медицинской генетики в Беларуси связано с именем члена-корреспондента Академии медицинских наук СССР, профессора Ю.В. Гулькевича. Под его руководством были выполнены первые работы по изучению этиологии врожденных пороков развития и роли в их происхождении наследственных факторов. По инициативе Ю.В. Гулькевича в 1967 г. в Минском медицинском институте была открыта проблемная лаборатория тератологии и медицинской генетики. Дальнейшее интенсивное развитие медицинской генетики в Беларуси и в создании медико-генетической службы республики происходило под руководством и члена-корреспондента Академии медицинских наук СССР, ныне члена-корреспондента Национальной академии наук Беларуси и Академии медицинских наук Российской Федерации, профессора Г.И. Лазюка. В 1967 г. он возглавил лабораторию тератологии и медицинской генетики, ставшую школой научных медико-генетических кадров республики. В этой лаборатории подготовлены кадры для медико-генетических консультаций г. Минска и областных городов, организованных в 1970-1979 гг. На базе лаборатории создан Минский филиал Института медицинской генетики Академии медицинских наук СССР (1983 г.), который в 1989 г. был реорганизован в НИИ наследственных и врожденных заболеваний Министерства здравоохранения Беларуси.

Крупнейшими специалистами в области наследственных и врожденных заболеваний в нашей республике являются Е.Г. Ильина, И.А. Кириллова, Г.И. Кравцова, В.П. Кулаженко, М.К. Недзьведь, ТТ. Сорокина, И.Н. Усов, Г.Л. Цукерман, Е.Д. Черствой.

 

 

Тема 1

Цитологические основы наследственности

Основные виды наследственности

Наследственность– это способность организмов повторять в поколениях сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития.… Изменчивость - это способность организмов приобретать различия в признаках… Основоположник генетики – чешский ученый Грегор Мендель (1822-1884 гг.), опубликовал в 1865 г. труд «Опыты над…

Основные носители наследственности

Хромосома ядерных организмов (эукариот) состоит из ДНК, белков и других химических веществ составляет 99% ДНК клетки, которая связана с белками.… Хромосомы хорошо заметны только во время деления клеток в профазу, метафазу и…  

Понятие о кариотипе человека

Кариотип будущего организма формируется в процессе слияния двух половых клеток (сперматозоида и яйцеклетки). При этом объединяются их хромосомные… В диплоидном наборе каждая хромосома имеет аналогичную по размеру и…

Правила хромосом

Правило постоянства числа хромосом.Соматические клетки организма каждого вида в норме имеют строго определенное число хромосом (например, у человека… Правило парности хромосом.Каждая хромосома в диплоидном наборе имеет… Правило индивидуальности хромосом.Каждая пара хромосом отличается от другой пары размерами, расположением центромеры и…

Классификация хромосом человека

Хромосомы подразделяют на аутосомы (одинаковые у обоих полов) и гетерохромосомы, или половые хромосомы (разный набор у мужских и женских особей). Например, кариотип человека содержит 22 пары аутосом и две половые хромосомы – ХХ у женщины и XY y мужчины (44,ХУ и 44,XYсоответственно). Соматические клетки организмовсодержат диплоидный (двойной) набор хромосом, а гаметы – гаплоидный (одинарный).

Идиограмма – это систематизированный кариотип, в котором хромосомы располагаются по мере уменьшения их размеров. Точно расположить хромосомы по размеру удается далеко не всегда, так как некоторые пары имеют близкие размеры. Поэтому в I960 г. была предложена Денверская классификация хромосом,которая помимо их размеров учитывает форму, положение центромеры, наличие вторичных перетяжек и спутников (рис. 3). Согласно этой классификации, 23 пары хромосом человека разбили на 7 групп – от А до G. Важным признаком, облегчающим классификацию, являетсяцентромерный индекс (ЦИ), который отражает отношение (в процентах) длины короткого плеча к длине всей хромосомы.

Различают следующие группы хромосом:

· Группа А (хромосомы 1-3). Это большие, метацентрические и субметацентрические хромосомы, их центромерный индекс – от 38 до 49. Первая пара хромосом – самые большие метацентрические (ЦИ 48-49), в проксимальной части длинного плеча вблизи центромеры может быть вторичная перетяжка. Вторая пара хромосом – самые большие субметацентрические (ЦИ 38-40). Третья пара хромосом на 20% короче первой, хромосомы субметацентрические (ЦИ 45-46).

· Группа В (хромосомы 4 и 5). Это большие субметацентрические хромосомы, их центромерный индекс 24-30. Они не различаются между собой при обычном окрашивании.

· Группа С (хромосомы 6-12). Хромосомы среднего размера, субметацентрические, их центромерный индекс 27-35. В 9-й хромосоме часто обнаруживается вторичная перетяжка. К этой группе относят и Х-хромосому.

· Группа D (хромосомы 13-15). Хромосомы акроцентрические, сильно отличаются от всех других хромосом человека, их центромерный индекс около 15. Все три пары имеют спутники.

· Группа Е (хромосомы 16-18). Хромосомы относительно короткие, метацентрические или субметацентрические, их центромерный индекс от 26 до 40. В длинном плече 16-й хромосомы в 10% случаев выявляется вторичная перетяжка.

· Группа F (хромосомы 19 и 20). Хромосомы короткие, субметацентрические, их центромерный индекс 36-46.

· Группа G (хромосомы 21 и 22). Хромосомы маленькие, акроцентрические, их центромерный индекс 13-33. К этой группе относят и У-хромосому.

Рис. 3. Денверская классификация хромосом человека

 

В основе Парижской классификации хромосом человека (1971 г.) лежат методы специального дифференциального их окрашивания, при которых в каждой хромосоме выявляется характерный только для нее порядок чередования поперечных светлых и темных сегментов (рис. 4). Различные типы сегментов обозначают по методам, с помощью которых они выявляются наиболее четко. Данные методы позволяют четко дифференцировать хромосомы человека внутри групп.

Короткое плечо хромосом обозначают латинской буквой р, а длинное – q. Каждое плечо хромосомы разделяют на районы, нумеруемые от центромеры к теломерам. В некоторых коротких плечах выделяют один такой район, а в других (длинных) – до четырех. Полосы внутри районов нумеруются по порядку от центромеры. Локализация генов не всегда известна с точностью до полосы. Так, местоположение гена ретинобластомы обозначают 13q, что означает локализацию его в длинном плече тринадцатой хромосомы.

Основные функции хромосом состоят в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации при размножении клеток и организмов.

 

Рис. 4 Парижская классификация хромосом

 

Формы размножения на клеточном уровне

Размножение – универсальное свойство живого, заключающееся в воспроизведении себе подобных. В основе размножения лежит передача генетической информации от одного поколения клеток или организмов к другому.

Клеточный и митотический циклы

Интерфаза состоит из трех периодов: · пресинтетического (постмитотического) G1; · синтетического S

Митоз

Митоз – это основной способ размножения соматических клеток. Непрерывный процесс митоза подразделяют на 4 стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 5).

В стадии профазы происходит увеличение объема ядра, спирализация хроматиновых нитей, расхождение центриолей к полюсам клетки и формирование веретена деления. К концу профазы фрагментируются ядрышки и ядерная оболочка, хромосомы выходят в цитоплазму и устремляются к центру клетки. В конце профазы к центромерам хромосом прикрепляются нити веретена деления. Содержание генетического материала при этом не изменяется (2п2хр4с)

 

Рис. 5 . Схема митоза в клетках корешка лука:

1 – интерфаза; 2 – профаза; 3 – метафаза; 4 – анафаза; 5 – телофаза; 6 – дочерние клетки

 

Метафаза – самая короткая фаза, когда хромосомы располагаются на экваторе клетки. В этой стадии достигается наибольшая спирализация хромосом. Содержание генетического материала остается прежним.

В стадии анафазы происходит продольное разделение хроматид в области центромеры. Нити веретена деления сокращаются, и хроматиды (дочерние хромосомы) расходятся к полюсам клетки. Содержание генетической информации становится 2п1хр2с у каждого полюса.

В стадии телофазы формируются ядра дочерних клеток: хромосомы деспирализуются, строятся ядерные оболочки, в ядре появляются ядрышки.

Митоз заканчивается цитокинезом – делением цитоплазмы материнской клетки. В конечном итоге образуются две дочерние клетки, каждая из которых имеет 2п хромосом, одну хроматиду в хромосоме и – наборов ДНК.

Основное значение митоза заключается в поддержании постоянства числа хромосом, обусловленном точным распределением генетической информации между дочерними клетками.

Разновидностями митоза являются эндомитоз, политения и мейоз. При эндомитозе происходит удвоение хромосом без деления ядра, что приводит к образованию полиплоидных клеток. При политении наблюдается многократное удвоение хроматид, но они не расходятся, и в результате образуютсяполитенные (многохроматидные, гигантские) хромосомы, например в слюнных железах мухи дрозофилы.

Эукариотические клетки могут размножаться амитозом – это прямое деление клеток и ядер, находящихся в условиях физиологической и репаративной регенерации, либо опухолевых клеток. Типичный амитоз начинается с образования перетяжки ядра, затем цитоплазмы, и далее они делятся на две части. Установлено, что и при амитозе происходит равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками.

Различные факторы внешней среды могут нарушать процесс митоза и приводить к появлению аномальных клеток. Выделяют три типа нарушений митоза:

1. Изменение структуры хромосом. При этом возможно появление разрывов хромосом, наличие отдельных мелких хромосомных фрагментов. Подобная патология возникает под действием радиации, некоторых химических веществ, вирусов, а также в раковых клетках. В некоторых случаях отдельные хромосомы могут отстать от других в анафазе и попасть не в свою клетку. Это приводит к изменению количества хромосом в дочерних клетках, т.е. канеуплоидии.

2. Повреждение веретена деления. Это нарушает его функцию распределения хромосом между дочерними клетками. В результате возможно появление клеток, содержащих значительный избыток хромосом (например, 92). Подобное действие характерно для многих противоопухолевых препаратов. Таким образом тормозится деление клеток опухолей.

3. Нарушение цитотомии, т.е. отсутствие деления цитоплазмы клетки в периоде телофазы. Вследствие этого образуются двуядерные клетки.

Патология митоза может приводить к появлению мозаицизма. В этом случае в одном организме обнаруживают клоны клеток с разным набором хромосом (например, часть клеток у человека содержит 46 хромосом, в то время как другие – 47). Мозаицизм формируется на ранних стадиях дробления зародышевых клеток.

Мейоз

Мейоз– это деление соматических клеток половых желез, в результате которого образуются половые клетки – гаметы. Мейотическое деление протекает в два этапа – мейоз – I и мейоз– II.Каждое мейотическое деление, так же как и митотическое, подразделяют на 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 6.)

Рис. 6. Схема мейоза (показана одна пара гомологичных хромосом):

мейоз - I: 1 – лептотена; 2 – зиготена; 3 – пахитена; 4 – диплотена; 5 – диакинез;

6 – метафаза; 7 – анафаза; 8 – телофаза; 9 – интеркинез; мейоз - II: 10 – метафаза;

11 – анафаза; 12 – дочерние клетки

 

Наиболее сложной является профаза мейоза – I. Она подразделяется на 5 стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез. Хроматиновые нити спирализуются, утолщаются, укорачиваются и на стадии лептотены становятся различимы под микроскопом. Нитевидные гомологичные хромосомы начинают движение друг к другу центромерными участками. Содержание генетического материала составляет 2п2хр4с.

На стадии зиготены начинается конъюгация – попарное соединение гомологичных хромосом. Содержание генетического материала не изменяется:2п2хр4с.

Рис. 7. Схема бивалента на стадии диплотены: 1 - хроматида; 2 - хиазмы; 3 – центромеры

На стадии похитены гомологичные хромосомы тесно соприкасаются по всей длине, образуя биваленты. Бивалент – это пара гомологичных хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид, т.е. в биваленте содержится 4 хроматиды (отсюда другое название бивалентов - тетрады).

Число бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом – 1п. К концу этого периода начинают действовать силы отталкивания в области центромер и становится заметным, что каждая хромосома состоит из 2 хроматид. Конъюгирующие хромосомы могут обмениваться участками хроматид – происходиткроссинговер (рис. 7). Содержание генетического материала не изменяется.

На стадии диплотены между конъюгирующими гомологичными хромосомами продолжают действовать силы отталкивания, в результате чего хроматиды начинают расходиться, оставаясь соединенными в участках перекрестов – хиазм. Расхождение хроматид увеличивается, а хиазмы постепенно смещаются к их концам. Содержание генетического материала остается прежним.

На стадии диакинеза завершается спирализация и укорочение хромосом. Биваленты, соединенные только своими концами, обособляются и располагаются по периферии ядра (табл. 1).

В результате мейоза-I происходит редукция (уменьшение вдвое) числа хромосом, откуда и название этого деления – редукционное.

После окончания мейоза-I наступает короткий промежуток – интеркинез, в течение которого не происходит репликации ДНК и удвоения хроматид.

Мейоз – II – эквационное деление – протекает по типу обычного митоза (табл. 2). Таким образом, в результате двух последовательных делений мейоза из одной диплоидной клетки образуются 4 гаплоидные.

Значение мейоза состоит: 1) в поддержании постоянства числа хромосом; 2) рекомбинации генетического материала, обусловленной кроссинговером и случайным расхождением к полюсам гомологичных хромосом и хроматид.

При нарушении нормального течения митоза или мейоза наблюдаются различные хромосомные и геномные мутации – делеции, дупликации, полиплоидии, анеуплоидии и др.

Таблица 2

Фаза мейоза	Процессы, происходящие в каждой фазе	Схема, показывающая процессы, происходящие в каждой фазе
Первое деление мейоза (редукционное или с уменьшением). Мейоз I
Профаза I(самая длительная и сложно организованная)	Включает в себя 5 стадий:
1. Лептотена (стадия тонких нитей), в которых хромосомы укорачиваются (спирализация); исчезает ядрышко, ядерная оболочка
2. Зиготена (стадия сливающихся нитей), в которой гомологичные хромосомы приближаются друг к другу и попарно конъюгируют (соединяются вместе), образуя биваленты (пары конъюгировавших гомологичных хромосом, или тетрады, – 4 хроматиды еще не различимые)
3. Пахитена(стадия толстых нитей), в которой гомологичные хромосомы в бивалентах частично отталкиваются друг от друга; в точках соединения между двумя из четырех имеющихся хроматид гомологичных хромосом происходит кроссинговер – обмен равными участками гомологичных хромосом (в результате разрывов и восстановлений), приводящий к перераспределению в них генов
4. Диплотена(стадия двойных нитей), в которой происходит взаимное отталкивание хромосом и образование хиазм (точек соединения гомологичных хромосом)
5. Диакинез (стадия обособления двойных нитей), в которой число хиазм уменьшается и биваленты становятся компактными
Метафаза I	Биваленты выстраиваются по экватору клетки (каждая гомологичная хромосома располагается сверху и снизу от экватора на одинаковом расстоянии). К центромере каждой хромосомы прикрепляется одна нить веретена деления
Анафаза I	Центромеры не делятся. Пары гомологичных хромосом разделяются. Целые хромосомы конкретной пары расходятся к разным полюсам клетки (нити веретена деления их растягивают). Каждая хромосома по-прежнему состоит из двух хроматид

 

 

Телофаза I	Хромосомы удлиняются (деспирализация) и вокруг них формируется ядерная оболочка. Нити веретена деления исчезают. Начинается движение цитоплазмы (у животных) или формирование клеточной стенки (у растений). Образуются дочерние клетки (п2с)
Интеркинез	Это интервал между первым и вторым делением мейоза. S-период отсутствует, и репликация ДНК не происходит
Второе деление мейоза (эквационное, или выравнивающее). Мейоз II
Профаза II	Очень укорочена, без кроссинговера. Происходит по принципу митоза, но при гаплоидном наборе хромосом (п2с) утолщаются двухроматидные хромосомы. Центриоли расходятся к полюсам клетки, и формируется веретено деления
Метафаза II	Двухроматидные хромосомы выстраиваются по экватору клетки (процессы идут параллельно в двух клетках, образовавшихся после первого деления мейоза). К центромерам прикрепляются нити веретена деления
Анафаза II	Центромеры делятся надвое, нити веретена деления растягивают к полюсам хроматиды (однохроматидные хромосомы) в клетках
Телофаза II	Однохроматидные хромосомы удлиняются (деспирализация). Разрушаются нити веретена деления. Восстанавливаются ядрышко и ядерная оболочка. Происходит цитокинез в клетках - образуются 4 дочерние клетки (пс)

Процесс мейоза может нарушаться под влиянием различных внешних повреждающих факторов. Патология этого типа деления клеток обычно приводит к сбою в процессе распределения хромосом в гаметах. В зависимости от этого выделяют простое, последовательное и двойное нерасхождение.

При простом нерасхождении происходит неправильное распределение хромосом по клеткам либо в первом, либо во втором делении мейоза. Если затрагивается мейоз I, то все зрелые гаметы будут иметь патологический набор хромосом (анеуплоидию). Патология мейоза II реализуется в изменение количества хромосом только части гамет.

Последовательное нерасхождение затрагивает оба деления мейоза. В этом случае нормальные гаметы не образуются.

Крайне редко мейоз повреждается у обоих родителей. В этих случаях регистрируется двойное нерасхождение.

Выделяют следующие виды нерасхождений хромосом:

· первичное, которое происходит в мейозе у людей с первоначально нормальным набором хромосом;

· вторичное, возникающее у человека, изначально имеющего патологический набор хромосом;

· третичное, формирующееся в мейозе у людей, являющихся носителями сбалансированных перестроек хромосом.

Сбалансированные изменения хромосом не нарушают состояние здоровья у человека, который имеет их в своем кариотипе.

 

Размножение на организменном уровне

Сперматозоиды образуются в мужских гонадах (семенниках), имеют малые размеры (40-500 мкм длиной) и состоят из головки, шейки и хвоста. Они подвижны.… Гаметогенез характеризуется рядом важных биологических процессов. Сперматогенез (образование сперматозоидов) протекает в семенных канальцах. Наружный слой семенных канальцев…

Особенности репродукции человека

Способность к репродукции становится возможной с наступлением половой зрелости, признаками которой являются первые менструации у девочек (с 12-15… Зрелый семенник мужчины непрерывно в течение всей жизни вырабатывает огромное…  

Лекция 2. Цитологические основы наследственности. Деление клеток.

Молекулярные основы наследственности

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – это природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу… · азотистое основание, · простой углерод – 5-углеродный сахар пентоза (рибоза или дезоксирибоза),

Генетический код и его свойства

Общепринятые сокращения названий аминокислот: ВАЛ – валин АРГ – аргинин ЛЕЙ – лейцин АСН – аспарагин … Таблица 3 Генетический код Первый нуклеотид Второй нуклеотид Третий нуклеотид У …

Основные свойства генетического кода.

2. Универсальность – одинаковый кодон кодирует одну и ту же аминокислоту у всех живых существ; 3. Неперекрываемость – один нуклеотид не может входить одновременно в состав… 4. Вырожденность (избыточность) – одну аминокислоту могут кодировать несколько разных кодонов;

Биологический синтез белка

Матричные реакции - это реакции синтеза новых соединений на основе «старых» макромолекул, выполняющих роль матрицы, т. е. формы, образца для… 1. Репликация ДНК – удвоение молекул ДНК, благодаря которым передача… 2. Транскрипция (лат. transcription – переписывание) – это синтез молекул РНК по принципу комплементарности на матрице…

Свойства и классификация генов

Ген - единица наследственности и изменчивости. По современным представлениям, ген – это участок молекулы ДНК, несущий информацию о синтезе определенного полипептида или нуклеиновой кислоты. Гены, определяющие развитие альтернативных признаков, называются аллельными (аллелями). Ген, преобладающий в паре аллелей, называется доминантным, а ген, подавляемый своей аллелью, – рецессивным. Набор генов организма, которые он получает от своих родителей, называется генотипом. Совокупность всех внешних и внутренних признаков организма, развивающихся на базе генотипа под воздействием факторов среды, называется фенотипом, а отдельный признак – феном.

В начале XX в. господствовало представление о стабильности и неизменяемости генов (А. Вейсман, У. Бэтсон), а если изменения и происходили, то самопроизвольно, независимо от влияния среды. Это ошибочное мнение было опровергнуто получением индуцированных мутаций Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым (1925 г.) на грибах, Г. Меллером (1927 г.) на дрозофиле и И.Л. Стадлером (1928 г.) на кукурузе. В 20-е годы было установлено, что хромосомы состоят из белка и нуклеиновых кислот. В 1927 г. Н.К. Кольцов предположил, что функции генов выполняют белковые молекулы.

Гены характеризуются определенными свойствами: специфичностью, целостностью и дискретностью, стабильностью и лабильностью, плейотропией, экспрессивностью и пенетрантностью.

· Специфичность гена заключается в том, что каждый структурный ген обладает только ему присущим порядком расположения нуклеотидов и детерминирует синтез определенного полипептида, р-РНК или т-РНК.

· Целостность гена состоит в том, что при программировании синтеза полипептида он выступает как неделимая единица (цистрон), изменение порядка или количества нуклеотидов в которой приводит к перестройке структуры молекулы полипептида. Ген как функциональная единица неделим.

· Дискретность гена определяется наличием в нем субъединиц (мутон, рекон). В настоящее время минимальной структурной субъединицей гена считают пару комплементарных нуклеотидов, а минимальной функциональной единицей – кодон.

· Гены относительно стабильны и изменяются (мутируют) редко. Частота спонтанной мутации одного гена - примерно 10^-5 на одно поколение.

· Способность гена изменяться (мутировать) называется лабильностью.

· Гены обладают свойством плейотропности (множественности) действия, т. е. один ген отвечает за проявление нескольких признаков. Это наблюдается при некоторых энзимопатиях, множественных врожденных пороках развития, например при синдроме Марфана.

· Экспрессивность – степень фенотипического проявления данного гена.

· Гены обладают пенетрантностью – это частота проявления гена.

Классификация генов

Все гены по функциям подразделяются на структурные и функциональные. Структурные гены несут информацию о белках-ферментах и гистонах, о последовательности нуклеотидов в различных видах РНК. Функциональные гены регулируют работу структурных генов (регуляторы и операторы). В зависимости от механизма и вида регуляции среди них выделяют гены-модуляторы, ингибиторы, интенсификаторы, модификаторы.

Генотип всех соматических клеток одинаковый, однако клетки разных тканей и органов одного организма сильно отличаются друг от друга (нервные, мышечные, эпителиальные, клетки соединительной ткани и др.). Значит, в разных клетках работают различные блоки генов. Область проявления действия данного гена называется полем его действия. Например, распределение волосяного покрова, развитие определенных дерматоглифических узоров на пальцах, ладонях и стопах и др.

Гены функционируют непостоянно. Например, гены, детерминирующие синтез пигмента меланина, окрашивающего волосы человека, в пожилом возрасте перестают работать, и волосы седеют. Гены, детерминирующие синтез половых гормонов, интенсивно начинают функционировать с момента полового созревания, их функция снижается к старости. Время действия гена – это период его функционирования.

 

Уровни организации наследственного материала

Элементарной структурой генного уровня организации наследственного материала является ген. Гены относительно независимы друг от друга, поэтому… Гены клеток эукариот распределены по хромосомам, образуя хромосомный уровень… Вся совокупность генов организма в функциональном отношении ведет себя как целое и образует единую систему – геномом…

Лекция 3. Наследственность, среда и патология.

Цитологические и молекулярные основы изменчивости организмов

Причины изменчивости могут быть разные: разнообразие генотипов, разнообразие условий среды, определяющие разнообразие в проявлении признаков у… В современной биологии различают два типа изменчивости: генотипическую… Такое деление считают условным, так как не учитывается в достаточной степени характер реакций генотипа и их…

Ненаследственная изменчивость

Возрастные (онтогенетические) модификации выражаются в виде постоянной смены признаков в процессе развития особи. У человека в процессе развития… Онтогенетическая изменчивость, как и сам онтогенез, детерминируется генотипом,… Сезонные модификации особей или целых популяций проявляются в виде генетически детерминированной смены признаков,…

Наследственная изменчивость

Изменчивость, обусловленная только за счет образования новых комбинаций аллей вследствие кроссинговера в мейозе и рекомбинации генов, называется… Мутационная изменчивость обусловливается не перекомбинацией генов, а…

Мутационная изменчивость

К причинам мутации относятся: 1. Спонтанные ошибки при репликации ДНК и транскрипции РНК в клетках,… 2. Действие физических факторов: ионизирующая радиация, гамма, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи.

Классификация мутаций

Мутационная изменчивость проявляется в фенотипе, и лишь по наличию качественно новых признаков и свойств организма можно предполагать ее возникновение. Изменения фенотипа вызываются нарушением наследственных структур, которое, обусловливается влиянием различных факторов внешней среды. То есть, внешняя среда, воздействуя на генотип,

Схема 3

Классификация мутаций

 

Мутации на уровне

 

Молекулярном

 

Клеточном

 

Тканевом

 

Организменном

 

Популяционном

 

Генные

 

Миссенс

 

Нонсенс

 

Сдвиг чтения

 

Хромосомные

 

Структурные

 

Геномные

 

Внутрихромосомные

 

Межхромосомные

 

Гетероплоидия

 

Полиплоидия

 

Автополиплоидия

 

Аллополиплоидия

 

Соматические

 

Генеративные

 

Морфологические

 

Биохимические

 

Физиологические

 

Вредные

 

Нейтральные

 

Полезные

вызывает его структурные изменения, приводящие к формированию новых признаков и свойств организма. Поэтому, исследование мутаций проходило с разных позиций: с точки зрения характера изменений в генотипе, локализации их в различных клетках и тканях, фенотипического выражения и эволюционной роли мутаций, а также с точки зрения природы причинного фактора. Существует много классификаций мутаций. Наиболее удобна классификация, разработанная польским исследователем С. Мушинским в 1972 г. Она дает представление о мутации на молекулярном и цитологическом уровнях, о ее локализации в клетках и тканях, о фенотипическом проявлении и судьбе в популяции (схема 3).

 

Молекулярный механизм мутаций

При транзиции одно пуриновое или пиримидиновое основание заменяется соответственно другим пуриновым или пиримидиновым основанием: Г - Ц  

Характеристика мутаций на тканевом уровне

Нарушения наследственных структур в половых клетках на разных стадиях гаметогенеза называются генеративными мутациями (гемофилия, фенилкетонурия).… Генеративные мутации наследуются при половом размножении и играют роль в…

Мутация на уровне организма

1. Морфологические, нарушающие признаки физического строения; безглазие, короткопалость, шестипалость, карликовость у человека; бескрылость у мух;… 2. Физиологические, изменяющие некоторые физиологические свойства особей… 3. Биохимические, тормозящие или изменяющие превращения и синтез некоторых веществ в организме. Они выражаются в…

Мутации на популяционном уровне

По исходу для организма мутации бывают: отрицательные– летальные, несовместимые с жизнью (например, отсутствие головного мозга) полулетальные… По причинам, вызвавшим мутации, их подразделяют на спонтанные и…  

Действие хромосомных мутаций на различные системы организма

1. Мутации, вызывающие дефекты органов чувств (глаз, внутреннее ухо), кожи и зубов. 2. Мутации, поражающие мозг и нервную систему. 3. Мутации, определяющие структурные аномалии скелета, мышц, соединительной ткани, внутренних органов (сердца,…

Последствия мутации в половых и соматических клетках

Генеративные мутации часто осложняются гибелью зародыша. Рождением ребенка заканчивается только 30-40% зачатий. Иногда происходит спонтанный аборт… Соматические мутации – это изменения наследственного материала в соматических… Если мутация происходит на ранних стадиях дробления зиготы, формируется мозаицизм. Мозаичный организм может иметь…

Устойчивость и репарация генетического материала

Репарация генетического материала– это внутриклеточный процесс, обеспечивающий восстановление поврежденной структуры молекулы ДНК. Нарушения могут… 1) дорепликативную (до удвоениямолекулы ДНК), 2) репликативную (в процессе удвоения),

Антимутагены

В начале 50-х годов была обнаружена возможность замедления или ослабления темпов мутирования с помощью некоторых веществ. Такие вещества назвали… Выделено около 200 природных и синтетических соединений, обладающих… Установлено, что антимутагены достаточно эффективны для человека.

Вопросы для аудиторного контроля по теме практической работы №1

2. Этапы развития классической генетики. Современная (молекулярная) генетика. Основные понятия и положения генетики. 3. История формирования генетики человека. Взаимосвязь генетики человека с… 4. Роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации. Структура молекулы ДНК. Правила…