Молекулярной основой наследственности является ДНК. Передача наследственных свойств осуществляется путем копирования, точного воспроизведения генотипа.
Копирование молекулы ДНК (репликация) – синтез дочерней молекулы ДНК на матрице материнской молекулы ДНК, основанный на принципе комплементарности азотистых оснований.
Дифференцировка белков органов и тканей обусловлена наличием транскрибируемых и нетранскрибируемых участков ДНК в клетках разных тканей, что приводит к появлению различных м-РНК и к биосинтезу различных белков.
Регуляция биосинтеза белка.
Существует кратковременное и стойкая регуляция биосинтеза белка.
Кратковременная регуляция осуществляется путем репрессии и индукции на уровне оперона. Целью кратковременной регуляции является адаптация к условиям внешней среды.
Стойкая регуляция осуществляется действием белков – гистонов, метилированием азотистых оснований ДНК, конденсацией участков ДНК, суперспирализацией участков ДНК.
Целью стойкой регуляции является клеточная дифференцировка ткани , что приводит к полиморфизму белков в организме человека.
МУТАЦИИ.
К молекулярным механизмам генетической изменчивости относятся мутации и рекомбинации генов.
Мутации возникают вследствие ошибок при репликации или при репарации.
Ошибки состоят в изменении нуклеотидного состава или разрыве цепи ДНК .
Мутации вызывают:
1. экзогенные факторы (УФ, радиация, химические факторы)
2. эндогенные факторы (усиление перекисного окисления липидов, свободные радикалы, альдегиды).
По типам мутации классифицируют на:
1. прямые (замены нуклеотидов, вставки, делеции, инверсии);
2. обратные (реверсии).
Замена нуклеотидов в кодоне может не изменять смысла кодона (код является вырожденным) или приводить к образованию измененного белка.
Вставки 1 или 2 нуклеотидов в кодоне приводят к биосинтезу белка со случайной последовательностью аминокислот; вставки 3, 6, 9 нуклеотидов приводят к биосинтезу белка с удлиненной цепью.
Делеция – утрата 1 или 2 нуклеотидов – приводит к биосинтезу белка со сдвигом рамки (с изменением функций);
утрата 3, 6, 9 нуклеотидов – к появлению укороченных белков (с изменением или без изменения функции).
Инверсия – изменения С- и N-конца молекулы белка.
Реверсия – обратная мутация, приводит к восстановлению первоначально утраченного гена.
Биологическое значение мутаций:
полезные мутации способствуют адаптации организма к условиям окружающей среды,
вредные – наследственным заболеваниям, непереносимости лекарств, опухолям, иммунодефицитам.
Мутации, происходящие в половых клетках, наследуются, в соматических клетках – не наследуются, но могут приводить к развитию опухолей.
Молекулярные болезни возникают вследствие мутаций, приводящих к снижению количества белков (гипотрансляция) и к появлению дефектных белков с нарушенной функцией (неметаболическое и метаболическое нарушение функций).
Молекулярные болезни классифицируют на энзимопатии (нарушение биосинтеза ферментов обмена белков, липидов, углеводов, НК) и патологии, связанные с отсутствием или недостаточностью белков неферментной природы (индивидуальные белки плазмы – альбумины, ингибиторы протеаз, белковые компоненты липопротеинов, белки калликреин-кининовой системы, иммуноглобулины, белок гемоглобина).
Генная инженерия направлена на создание новых фенотипов путем прямой пересадки генов в ДНК клеток реципиентов.
Цель генной инженерии – исправление наследственных дефектов, создание новых лекарственных препаратов (инсулин, соматотропин, интерфероны), создание новых микроорганизмов.
Современные методы молекулярно-генетического анализа структуры ДНК.
Наследственная информация хранится и реализуется в молекуле ДНК. Вся ядерная ДНК в клетке человека содержится в виде 23 пар молекул, соответствующих хромосомам. ДНК человека содержит более 3 млрд. пар нуклеотидов. Митохондриальная ДНК при оплодотворении не попадает внутрь яйцеклетки, следовательно, последовательность нуклеотидов митохондриальной ДНК идентична у лиц, восходящих к общему предку по материнской линии. Как в ядерной, так и в митохондриальной ДНК есть консервативные участки, одинаковые у всех людей, но они чередуются с вариабельными участками, нуклеотидная последовательность которых изменяется в результате мутаций. Один из вариабельных участков, так называемая D – петля, чаще всего исследуется при установлении родства, ДНК – паспортизация человека и элитных животных, для ДНК – диагностики наследственных врожденных заболеваний, для высокоточной лабораторной диагностики заболеваний, передающихся половым путем (хламидиоз, уреаплазмоз, микоплазмоз, цитомегаловирусная инфекция и СПИД).
Ход исследования. Для исследования достаточно иметь одну молекулу ДНК (для установления родства, ДНК-паспортизации или врожденного заболевания) или хотя бы одну бактерию (при лабораторной диагностике). С помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) на матрице изучаемого фрагмента ДНК воспроизводят большое количество идентичных фрагментов, достаточных для исследования. Методом электрофореза в геле фрагменты ДНК разделяют по величине фрагментов.
Затем исследуют с помощью нуклеотидного анализатора последовательность расположения нуклеотидов в вариабельных участках ядерной ДНК. Эти определения позволяют установить степень родства. Исследования последовательности нуклеотидов в D-петле митохондриальной ДНК позволяет установить степень родства по материнской линии.
В России исследования по этому направлению ведутся в рамках научно-технической программы «Геном человека». Для исследования необходимы специалисты узкого профиля, реактивы и сложная аппаратура, которая сосредоточена в специальных научно-исследовательских институтах гг. Москвы, С.Петербурга, Ростова – на Дону, Новосибирска. В мире на сегодняшний день созданы компьютерные базы данных, позволяющие выявлять комбинации нуклеотидов митохондриальной ДНК не только у детей и родителей, но и у отдаленных родственников. Конечно, чем дальше родство, тем сложнее его выявить, так, индивид передает детям 50% нуклеотидов, а внукам 25%. Анализ молекулярно-генетической структуры ДНК на сегодняшний день один из наиболее дорогостоящих, но абсолютно точный.
Вопросы для самоподготовки.
1. Что называют нуклеиновыми кислотами? Как они классифицируются?
2. Сходство и различия в химическом составе ДНК и РНК. 1 и 2 структуры.
3. Функции ДНК и РНК в организме человека.
4. Каковы функции свободных мононуклеотидов в организме человека?
5. Что называют матричными биосинтезами?
6. Что называют репликацией? Локализация, этапы, ферменты процесса.
7. Что называют транскрипцией? Локализация, этапы, ферменты процесса.
8. Что называют трансляцией? Локализация, этапы, ферменты процесса.
9. Биохимические механизмы наследственности.
10. Биохимические механизмы изменчивости.
11. Каковы биологические последствия мутаций в организме человека?
Литература В. К. Кухта стр.75 – 86.
Разработала преподаватель клинической биохимии С. М. Новикова
Для того чтобы происходили процессы передачи будущим поколениям признаков и особенностей развития организмов, хромосомная вещество должно обладать способностью к точному удвоение и формирования огромного разнообразия генов, которые существуют в природе.
Материальный носитель наследственности.
В середине XX в. было доказано, что носителем генетической информации является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - органическое соединение, которое вместе с белком образует тело хромосомы.
ДНК имеет цепную молекулярное строение, что обеспечивает способность к удвоению и образования множества типов сочетаний ее элементарных единиц - нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотистого основания (О), углеводного компонента (дезоксирибозы - Д) и остатка фосфорной кислоты (Ф) (рис. 2.10).
Рис. 2.10.
В цепочке ДНК отдельные нуклеотиды соединены друг с другом через фосфорную кислоту крепким химической связью. Углеводный и фосфорный компоненты во всех нуклеотидов одинаковые, но основ есть четыре типа: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Для записи генетического кода их обозначают буквами А, Ц, Г и Т соответственно.
Молекула ДНК образована двумя такими цепочками, которые соединяются между собой слабыми водородными связями через основы. Основы пары подходят друг другу, как ключ и замок. Аденин всегда спаривается с тимином, а гуанин - с цитозином (рис. 2.11, 2.12). Благодаря комплементарной (дополняющие) строении эта двойная молекула способна точно воспроизводить себя, образуя идентичные двойные молекулы.
Рис. 2.11.
Перед удвоением ДНК слабые водородные связи между основаниями рвутся и две напивмолекулы расходятся, как застежка-молния. После этого на каждой из них достраивается новая комплементарная половинка, в результате чего образуются две новые молекулы ДНК, абсолютно идентичны начальной. Одна из них имеет старую "правую" сторону и новую "левую", а другая, наоборот, - старую "левую" и новую "правую" (рис. 2.13). Однако это лишь модель, а на самом деле процесс гораздо сложнее.
Поскольку основы в молекуле ДНК расположены линейно (одна за другой), то количество комбинаций их взаимного расположения практически не ограничено, хотя основ всего четыре. Например, если один ген содержит 500 оснований, то можно получить 4500 способов их расположения. Такая комбинативная свойство обеспечивает существование большого количества различных генов.
Рис. 2.12.
А - аденин, Т - тимин, Г - гуанин, Ц - цитозин,
Ф - остаток фосфорной кислоты, Д - дезоксирибоза
Рис. 2.13.
ДНК содержится в хромосомах вместе с белками (гистонов и негистоновых) и небольшим количеством РНК. В каждой хромосоме имеется только одна молекула ДНК. Во время деления клетки хромосомы значительно укорачиваются, утолщаются и их можно увидеть под микроскопом. Это происходит в результате многоуровневой спирализации молекулы ДНК (рис. 2.14).
Рис. 2.14.
Ген и его основная функция.
Современной генетике много известно о строении хромосом, структуру и функции ДНК, но она еще не может дать точное определение гена. Согласно распространенным современным представлениям, ген - это небольшой участок хромосомы, выполняет определенную биохимическую функцию и осуществляет специфическое влияние на структурные, физиологические и биохимические свойства организма. Биохимическая функция гена заключается в том, что он обусловливает синтез определенного фермента.
Ферменты - особые белки, которые в живых клетках играют роль биологических катализаторов. С помощью ферментов осуществляются все биохимические реакции обмена веществ и энергии в живых организмах. Гены содержат информацию о последовательности аминокислот в молекулах "первичных белков» - полипептидов, что является цепочками с аминокислот, количество которых варьирует от шести до нескольких десятков. С определенного количества соответствующих полипептидов с помощью особых ферментов синтетаз образуется молекула определенного белка. Кроме того, некоторые полипептиды в организме могут выполнять функции гормонов, биологически активных веществ, антибиотиков и т.
Генетический код.
В состав белка принадлежит 20 различных аминокислот, а типов оснований ДНК - всего четыре. Информация о последовательности оснований в молекуле ДНК превращается в последовательность аминокислот в молекуле белка благодаря кодированию одной аминокислоты тремя основаниями. Функциональную генетическую единицу из трех основ называют триплетом (кодоном), а зависимость порядка расположения аминокислот в молекулах полипептидов от порядка расположения триплетов оснований в молекуле ДНК - генетическим кодом (табл. 2.1).
Таблица 2.1.
Примечание. Генетический код ДНК содержит комплементарные основания и В заменен в нем на Т.
Терм - терминатор (стоп-кодон) основы: А - аденин, Г - гуанин, Т - тимин, Ц - цитозин, В - урацил; аминокислоты: Ала - аланин, Apr - аргинин, АСН - аспарагин, Асп - аспарагиновая кислота, Вал - валин, ГИС - гистидин, Гли - глицин, Глу - глютамин, Илей - изолейцин, Лей - лейцин, Лиз - лизин, Мет - метионин, О - пролин, Сэр - серин, Тир - тирозин, Тре - треонин, Три - триптофан, Фен - фенилаланин, Цис - цистеин.
61 код он определяет соответствующие аминокислоты, и все аминокислоты, за исключением триптофана и метионина, кодируются несколькими кодонами. Кодоны-синонимы обычно образуют группы, в которых две первые основы в кодоне являются общими, а третья варьирует.
Генетический код универсален, так как во всех живых организмов одни и те же аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами. Конечно аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом (количество возможных триплетов 64, аминокислот - 20). Кроме того, код не перекрывается, то есть каждая основа может принадлежать только одному триплета.
Механизм синтеза белков (полипептидов) в клетке очень сложный. Он требует участия другого вида нуклеиновых кислот - рибонуклеиновой кислоты (РНК) и особых клеточных органелл - рибосом (рис. 2.15).
Рис. 2.15.
Современные молекулярно-генетические исследования показали, что строение гена и принцип считывания информации для синтеза белка у эукариот (организмов, клетки которых имеют настоящее ядро) отличаются от строения гена и принципа считывания информации у прокариот (одноклеточных организмов, лишенных настоящего ядра). Оказалось, что гены эукариот содержат как кодированные участки, несущие информацию для синтеза специфического белка, - экзоты, так и некодированные - интроны. Причем некодированных участков может быть в несколько раз больше, чем кодированных, а у человека со всей генетической ДНК только примерно 5 % составляют кодированные участка.
Имея такое строение один и тот же ген эукариот может нести информацию для кодирования не одного полипептида, как у прокариот, а в зависимости от специфики ткани, в которой они функционируют, большого количества различных полипептидов. Например, некоторые гены могут нести код для синтеза почти 40 тыс. Полипептидов. Это достигается путем изменения порядка считывания кодированных участков гена. У человека, по современным данным, 74% генов работают именно по такому принципу.
Гены в хромосомах. Хромосомная теория наследственности утверждает, что гены в хромосомах расположены линейно. Место в хромосоме, где расположен определенный ген, называют локусом этого гена. Определенный локус может занимать лишь одна из форм одного и того же гена - доминантный, рецессивный или другая. Такие разные положения гена называют аллелями. Для большинства генов известны только доминантный и рецессивный аллели, но часто случается т. Н. Множественный аллелизм, когда существует ряд положений определенного гена.
Простейшим примером множественного алелизму является наследование групп крови у человека по системе АВО. Каждый человек имеет одну из четырех групп крови, которые обусловлены взаимодействием трех множественных аллелей одного и того же гена - Iа, и в и / °. Аллели Iа и Ив являются доминантными, а / 0 - рецессивным. Сочетание пар аллелей определяют такие группы крови:
I, или 0 - 1 ° 1 °;
II или А - Iа Iа, Iа 1 °;
III или В - Ив Ив, Ин 1 °;
IV, или АВ - Iа Ин.
УIV группе крови доминирование аллеля не наблюдается, но отсутствует и промежуточный эффект. Кровь этой группы одновременно проявляет признаки II и III групп.
Аллели гена, расположенные в тождественных локусах гомологичных хромосом, могут быть одинаковыми - доминантными (АА) или рецессивными (аа). Такое сочетание пары аллелей одного гена называют гомозиготным. Если ген представлен двумя разными аллелями (Аа), его состояние будет гетерозиготным.
Несмотря на то, что ДНК (дезоксирибонуклеиновая к-та) была известна с 1869г. (Открыл Иоганн Фридрих Мишер) и наличие её в хромосомах было хорошо доказано, эту молекулу считали слишком простой для передачи наследственной информации. Лишь после открытия в 1953 г . физико-химической структуры ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком стало окончательно ясно, что передача наследственной информации осуществляется с помощью ДНК. Нуклеиновая кислота представляет собой гигантскую молекулу, длинную, закрученную в двойную спираль молекулу, построенную из многих повторяющихся единиц, называемых нуклеотидами.
Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания представлены двумя пуриновыми производными – аденином (А) и гуанином (Г), и тремя пиримидиновыми – цитозином (Ц), тимином (Т) и урацилом (У).
В состав ДНК входят А, Т, Г, Ц,; в РНК – А, Г, Ц. А тимин здесь заменён на урацил. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают 2 типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). В нуклеотидах к молекуле дезоксирибозы (или рибозы) с одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой – остаток фосфорной кислоты. Согласно предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком модели, молекула ДНК представляет собой две параллельные полинуклеотидные цепи, закрученные в двойную спираль. Пространственная структура ДНК удерживается множеством водородных связей, которые возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Строение нуклеотидов таково, что они могут располагаться напротив друг друга только по строго определённому правилу: А напротив Т, Г напротив Ц- это принцип комплементарности оснований (составляют комплементарные пары: А=Т, Г=Ц) . В отличие от ДНК молекулы РНК, ка правило, однонитевые. Построены они аналогично нитям ДНК, только в сахарно-фосфатный остов их молекул входит не дезоксирибоза, а рибоза, и вместо тимина (Т) у них имеется урацил (У).
В зависимости от функций , все РНК могут быть разделены на несколько классов:
информационная (и-РНК), или матричная (м-РНК) около 5%;
транспортная (т-РНК) около 15%;
рибосомальная (р-РНК) около 80%.
Каждая молекула РНК выполняет свою специфическую функцию:
м-РНК переносят информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, т.е. служат матрицей для синтеза белка;
т-РНК переносят аминокислоты в рибосомы;
р-РНК образуют в комплексе с белками рибосому, сложную органеллу, в которой происходит синтез белка.
Функции нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты выполняют важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация о всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.
Элементарной единицей наследственности является ген.
Ген – это участок молекулы ДНК, характеризуемый специфической для него последовательностью нуклеотидов, и способный изменяться путём мутирования . Молекула ДНК может содержать множество генов. У человека имеется около 30-40 тыс. генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию – кодирует определенный полипептид. Каждая исходная молекула ДНК даёт начало огромному числу новых молекул ДНК. Это происходит в процессе репликации, при которой информация, закодированная в родительской ДНК, передаётся с максимальной точностью дочерней ДНК. Репликация – единственно возможный способ увеличения числа молекул ДНК, с помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя цепями ДНК, образуются одноцепочечные нити. Затем к каждой цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А-Т, Г-Ц), образуя две двухцепочечные молекулы ДНК. Процесс репликации нуклеиновых кислот целиком зависит от работы ряда ферментов: ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, эндонуклеазы и ДНК-лигазы. Кроме механизма, обеспечивающего сохранение генетической информации (репликация), и материальной единицы наследственности (ген), существует механизм реализации наследственной информации.
Генетическая информация реализуется через следующие этапы: Транскрипция («переписывание ) – перенос генетической информации от ДНК в РНК.
Транскрипция заключается в том, что на одной из нитей ДНК происходит матричный синтез нити м-РНК. Этот синтез осуществляется особым ферментом – РНК-полимеразой, который прикрепляется к началу участка ДНК, расплетает двойную спираль ДНК и, перемещаясь вдоль одной из нитей, последовательно строит рядом с ней комплементарную ей нить РНК. Синтезированная нить РНК содержит информацию, точно переписанную с соответствующего участка ДНК. В ядре и при выходе из него происходит процессинг – дозревание РНК (вырезание неинформативных участков), в результате чего РНК укорачивается. Далее молекулы РНК выходят из ядра в цитоплазму и соединяются с рибосомами, где происходит процесс трансляции. Трансляция (перевод) – процесс перевода РНК-текста (декодирования, в результате которого информация с языка м-РНК переводится на язык аминокислот). Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам. Рибосома образована двумя субъединицами – большой и малой, состоящими из р-РНК и белков. Аминокислоты, синтезированные клеткой, доставляются к месту сборки из них белка, т.е. рибосомы, посредством т-РНК. Каждой аминокислоте в м-РНК соответствует определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты. В м-РНК существуют кодоны: инициирующие (АУГ), определяющие начало синтеза белка; терминирующие (стоп-кодон: УАГ, УАА, УГА), заканчивающие синтез белка. Сигналом к завершению трансляции служит один из трех стоп-кодонов. Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и м-РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Перенос информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется с помощью генетического кода.
Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения нуклеотидов в ДНК и и-РНК. Кодон – слово в ДНК-книге, т.е. генетический код является по своей природе триплетным.
Свойства генетического кода:
1. Код триплетен. Каждая аминокислота кодируется группой из трёх нуклеотидов (тирозин – УАУ)
2. Вырожденность (неоднозначность) генетического кода. Одна аминокислота может кодироваться не одним, а несколькими триплетами нуклеотидов (валин – ГУУ, ГУЦ, ГУА)
3. Однозначность генетического кода (специфичность) . Каждому кодону соответствует только одна аминокислота, т.е. триплет шифрует только одну аминокислоту (триптофан – УГГ)
4. Неперекрываемость генетического кода. Каждый нуклеотид входит лишь в какой-либо один триплет и переписывание информации происходит строго потриплетно.
5. Универсальность генетического кода. Генетическая информация для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (от ромашки до человека), кодируется одинаково.
6. Линейность генетического кода . Кодоны прочитываются линейно (последовательно) в направлении закодированной записи.
Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий либо последовательность аминокислот в белке, либо разные виды молекул РНК, участвующих в синтезе белка.
Локус – это место расположения гена в хромосоме.
Геном – это полное количество ДНК у данного вида, содержащееся в гаплоидном наборе хромосом.
Хроматин – комплекс ДНК со специальными белками.
Митоз – основной способ деления соматических клеток.
Центромера – первичная перетяжка хромосомы (определяет форму хромосомы).
Кариотип – совокупность хромосом(у человека составляет 46 хромосом).
Гомолочичные – 22 пары одинаковые. (хромосомы 23-й пары бывают двух видов: Х и Y).
Половые хромосомы – определяют пол 23-я пара, Норма ХХ - женская,ХY-мужская.
Существуют определённые правила обозначения кариотипа . Сначала указывают общее число хромосом, затем какие половые хромосомы входят в хромосомный набор. Далее перечисляется, какие отклонения от нормы встречаются у данного индивидуума (Так кариотип нормальной женщины будет записан как 46,ХХ; а кариотип нормального мужчины – 46, ХY). Если в клетках мужчины присутствует лишняя хромосома, например, 21-я, как это происходит при самой распространённой форме болезни Дауна, кариотип будет записан следующим образом: 46,ХY, +21.
Для возникновения новой жизни необходимо слияние двух родительских клеток – яйцеклетки и сперматозоида, называемых гаметами. Каждая из них несёт по одной из 23 парных хромосом_ такой набор называется гаплоидным. После слияния образуется зигота, содержащая уже полный (диплоидный) набор из 46 хромосом.
В женской гамете всегда присутствует только Х-хромосома, необходимая ребёнку любого пола. А сперматозоиды могут нести любую из половых хромосом, как Х, так и Y. Значит пол ребёнка будет зависеть от того, какой сперматозоид будет участвовать в образовании зиготы. А значит папы определяют, кто у них родится- сын или дочь.
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Основы биохимической генетики |
| Рубрика (тематическая категория) | Генетика |
Классификация мутаций
Особенности мутаций
1. Мутационные изменения обусловлены изменением наследственных структур в половых или соматических клетках и могут воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными;
2. Мутации возникают внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправленный характер, бывают рецессивными и доминантными;
3. Мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, бывают ценными, полезными или вредными. Мутации, снижающие выживаемость мутантов более чем на 10%, вредны для природных популяций (Ригер Р., Михаэлис А., 1967). В сельскохозяйственной практике ценность мутации определяется ее значением для селекции;
4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.
1. Геномные (полиплоидия)
А) Гаплоидия
Б)Эуплоидия
Автополиплоидия
Аллоплоидия
В)Гетероплоидия
2. Хромосомные аберации
Делеция
Дефишенси
Инверсия
Дупликация
Фрагментация
Транслокация
Транспозиция
Замена нуклеотидов в ДНК
Вставка или выпадение нуклеотидов в ДНК
Полиплоидия – этогеномная мутация, обусловленная изменением числа хромосом в клетках, а также процесс возникновения или создания геномных мутантов (полиплоидов). Полиплоидия чаще встречается у растений и является защитной реакцией организма (в горах больше полиплоидных растений). Полиплоиды отличаются от диплоидов плодовитостью. Гаплоиды - ϶ᴛᴏ организмы, которые имеют одинарный набор хромосом. В клетках гаплоидов содержится только половина соматического набора хромосом (п), присущего данному виду, то есть такое же число хромосом, как и в нормальных половых клетках – гаметах. Гаплоиды бесплодны, но могут размножаться партеногенетически и сохраняться при вегетативном размножении.
Эуплоиды (истинные полиплоиды) – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом одного вида или происходит соединение и кратное увеличение хромосомных наборов разных видов. Автополиплоиды – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом, присущих данному виду (триплоиды (3 п число хромосом), тетраплоиды (4п), пентаплоиды (5п), гексаплоиды (6п) и т.д.). Автополиплоидия обуславливает изменение морфологических признаков и свойств, присущих исходным типам. У полиплоидов увеличиваются размеры ядра и клетки в целом, а также количество органоидов цитоплазмы – пластид, митохондрий, рибосом. Аллополиплоиды – межвидовые полиплоиды, в кариотипе которых содержаться удвоенные наборы хромосом разных видов. Аллополиплоидам обычно присущи признаки и свойства исходных диплоидных родительских форм в различных сочетаниях, как это обычно бывает при межвидовой и межродовой гибридизации. Полиплоидизация позволяет восстановить плодовитость, так как межвидовые и межродовые гибриды, как правило бесплодны.
Гетероплоиды – или анеуплоиды - ϶ᴛᴏ организмы, число хромосом у которых некратное гаплоидному (2п-1, 2п+1). Причиной возникновения гетероплоидов должна быть отсутствие разделения хромосом на хроматиды, при отсутствии коньюгации гомологичных хромосом. Учитывая зависимость отчисла дополнительных или недостающих хромосом применяют следующие термины: 2п-1 12 – моносомик, 2п-2 12 – нуллисомик, 2п+1 5 – трисомик, 2п+2 5 – тетрасомик. Нижний индекс указывает номер хромосомной пары в кариотипе, в которой изменилось число хромосом.
Полиплоидия у животных встречается крайне редко. К примеру, золотистый хомячок в кариотипе которого содержится 44 хромосомы, в то время как у животных других родов серого и обыкновенного хомяка их 22. У аксолотля были получены тетраплоидные самки. При скрещивании их с диплоидными самцами было получено триплоидное, полностью бесплодное потомство. Бычий гипогонадизм характеризуется трисомией по половой Х-хромосоме. Такие бычки отстают в росте и развитии, характеризуются недоразвитием вторичных половых признаков и сниженным уровнем спермопродукции вплоть до ее отсутствия.
У людей установлены и описаны следующие болезни (синдромы полиплоидии): синдром Патау – тяжелое заболевание, обусловленное трисомией по 13-й хромосоме. Частота встречаемости – 1:5000-7000 новорожденных. Характерна многопалость (полидактилия), пороки внутренних органов (перегородки сердца), головного мозга и высокая ранняя смертность. Синдром Дауна обусловлен трисомией по 21-1 хромосоме. Частота встречаемости 1:700-800 рождений. Характерна умственная отсталость, разболтанность суставов, пороки формы головы и лица. Моносомия по Х-хромосоме обуславливает синдром Шершевского-Тернера. Характерно бесплодие (так как у таких женщин нет яичников), недоразвитие половых признаков, низкий рост. Отмечены случаи рождения мужчин только с одной Х-хромосомой, а У-хромосома отсутствует в результате анеуплоидной мутации. В медицине данный синдром принято называть Клайнфелтера. Характерно недоразвитие семенников, евнухоидное телосложение. Трисомия по хромосоме 8 приводит к ряду аномалий – косоглазию, дефектам в строении ногтей, увеличению носа и ушей, умственной отсталости. Нуллисомия (полное отсутствие какой-либо хромосомы) для человека смертельно. Нуллисомия по какой-либо хромосоме может привести к гибели, и связана с фенотипическими изменениями.
Огромное большинство генов организма строго локализовано, каждый ген находится в определенном месте одной из хромосом. С помощью генетических и цитологических методов для каждой хромосомы можно составить ее генную карту. Только некоторые так называемые мобильные генетические элементы (ʼʼпрыгающие геныʼʼ) бывают разбросаны в разных местах хромосом и способны время от времени перемещаться в другие места той же или другой хромосомы.
Рассмотрим хромосомные аберрации (перестройки).
Характер хромосомной перестройки во многом зависит от состояния хромосомы в момент воздействия мутагенного фактора. В случае если хромосома находится в состоянии одиночной нити (период G 1 интерфазы, анафаза и телофаза митоза), то в последующий период S интерфазы она удваивается и аберрация сохраняется в обеих хроматидах, то есть возникают хромосомные аберрации. В случае если мутаген действует на хромосому, находящуюся в состоянии двойной нити (период G 2 или S интерфазы, профаза и метафаза митоза), аберрация может произойти только в одной хроматиде. В этом случае возникают хроматидные перестройки .
Различают внутри- и межхромосомные аберрации.
Внутрихромосомные аберрации.
Делеция – выпадение участка хромосомы в средней ее части, содержащего обычно целый комплекс генов. В случае выпадения концевого участка возникает концевая делеция – дефишенси. Когда делеция и дефишенси захватывают небольшой фрагмент хромосомы, это вызывает изменение признака, к примеру желтую окраску тела и белоглазие у дрозофилы. Крупные делеции вызывают гибель организма. Иллюстрацией вредного действия крупных делеций может служить хронический миелоз у человека. Это тяжелая форма белокровия, характеризующаяся безудержным размножением некоторых видов лейкоцитов, вызывается очень крупной делецией в одной из аутосом 21-й пары.
Инверсия – возникает в результате разрыва хромосомы одновременно в двух местах с сохранением внутреннего участка, который воссоединяется с этой же хромосомой после поворота на 180 о. Инверсия не влияет на фенотип особи. Гетерозиготность по инверсии сильно мешает в мейозе нормальной коньюгации и образуются анеуплоидные половые клетки. У гомозиготных по инвертированной хромосоме особей коньюгация в мейозе протекает нормально. Результатом инверсии бывают гетероплоидные потомки или бесплодие. Инверсии часто встречаются в природе. Особенно много получено данных о распространении инверсий в популяциях разных видов мух, комаров и мошек, у которых инверсии легко обнаружить в хромосомах слюнных желез, где они имеют огромные размеры и ясно выраженную структуру.
Дупликация – удвоение участка хромосомы. Характерны слабые фенотипические проявления. В эволюционном плане дупликации обогащают генотипы новыми генами (полосковидные глаза у дрозофилы при дупликации гена Bar).
Межхромосомные аберрации .
Транслокация - обмен участками между негомологичными хромосомами. У особей гетерозиготных по транслокации нарушается коньюгация гомологичных хромосом и образуются нежизнеспособные гаметы (или ранняя эмбриональная смертность). Такие особи характеризуются пониженной плодовитостью или образуются гетероплоидные потомки (мутанты тутового шелкопряда, где самцы выводятся только из белых яичек и образуют более крупные коконы для шелководства).
Транспозиция (инсерция) - это вставка в какое-либо место хромосомы мобильного генетического элемента (мгэ), перенесенного туда из другого места той же или другой хромосомы. В геноме организма может присутствовать несколько разных мгэ в сумме они могут составлять 10-15 % генома. Мутации, вызываемые транспозицией, иногда нестойки (ревертируемы). Для бактерий показано, что транспозиции мгэ могут происходить между близкими видами, а также между бактериальной хромосомой и геномом заразившего ее вируса (фага).
Фрагментация – происходит в результате разрыва хромосом или хроматид в нескольких местах одновременно. Обуславливает возникновение летальных мутантов.
Генные, или толчковые мутации - ϶ᴛᴏ изменение структуры молекулы ДНК на участке определенного гена, кодирующего синтез соответствующей белковой молекулы (или стойкие изменения отдельных генов). У любого организма генные мутации приводят к чрезвычайно разнообразным изменениям всевозможных морфологических, физиологических и биохимических признаков. У бактерий генные мутации изменяют цвет и форму колоний, подвижность клеток, темп их деления, способность сбраживать различные сахара, устойчивость к высокой температуре, лекарственным веществам, восприимчивость к заражению фагами, способность расти на неполноценной питательной среде, токсичность и т.д. У дрозофилы в результате генных мутаций изменяются цвет, размер и строение глаз, размер, форма и жилкование крыльев, строение брюшка, груди, ног и усиков, число, толщина и форма щетинок, плодовитость, продолжительность жизни, быстрота выработки условных рефлексов. Картина генных мутаций в общих чертах универсальна для всех живых существ.
Генные мутации бывают доминантными, рецессивными или полудоминантными. Примером может служить доминантная мутация у дрозофилы, вызывающая развитие щетинок на жилках крыльев мухи. Различный характер редукции щетинок на теле дрозофилы вызывали множественные аллели гена scut – sc 1 ,sc 2 ,sc 3 . Впервые множественный аллелизм был установлен в 1930 ᴦ. А.С.Серебровским, Н.П.Дубининым и Б.П.Сидоровым у дрозофилы. Множественным аллелизмом называют различное состояние одного и того же локуса (гена), обусловленное толчковыми мутациями, детерминирующими различное проявление одного и того же признака или свойства. Аллели одного гена, возникшие в результате толчковой мутации, называют множественными аллелями. Ярким примером множественного аллелизма могут служить аллели, кодирующие синтез глобина – белка, крайне важно го для образования сложных молекул гемоглобина крови. Известно 100 типов гемоглобина, контролируемых серией множественных аллелей. В гомозиготном состоянии гемоглобин обусловливает тяжелое наследственное заболевание – серповидно-клеточную анемию.
Процесс восстановления первоначальной структуры и исправления повреждений молекулы ДНК принято называть репарацией. Наиболее изучены фотореактивация и темновая репарация. Фотореактивация осуществляется фотореактивирующим ферментом. Свет активирует фермент, и он восстанавливает исходную структуру молекулы ДНК, поврежденную ультрафиолетовыми лучами. Темновая репарация протекает в несколько этапов при участии четырех типов ферментов, последовательное действие которых исправляет повреждение ДНК (эндонуклеаза-обследует, эндонуклеаза-расширяет участок ДНК, ДНК-полимераза - синтезирует, лигаза – скрепляет синтезированные ДНК).
Генетические различия в активности репарирующих ДНК-ферментов представляет одну из главных причин разной устойчивости организмов к действию мутагенов, в частности ионизирующей радиации и ультрафиолетовых лучей. Подобные различия существуют не только между генотипически неодинаковыми особями в пределах вида, но и между равными видами. Так, у человека известна врожденная болезнь, называемая пигментной ксеродермией. Кожа таких людей ненормально чувствительна к солнечным лучам и при их интенсивном воздействии покрывается крупными пигментными пятнами, изъязвляется, а иногда процесс приобретает злокачественный характер (рак кожи). Пигментная ксеродермия вызывается мутацией, инактивирующей ген, ответственный за синтез фермента͵ репарирующего повреждения ДНК кожных клеток ультрафиолетовой частью солнечных лучей.
Знание разных типов мутаций и причин их возникновения крайне важно для практической селекции микроорганизмов, возделываемых растений и домашних животных, а также для ветеринарной медицины и медицины с целью диагностики, предупреждения и изыскания способов лечения болезней животных и человека.
Наиболее разительны успехи в селекции бактерий и грибов – продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ. Активность лучистого гриба – продуцента витамина В12 – повысилась в 6 раз, а активность бактерии – продуцента аминокислоты лизина – в 300-400 раз. Искусственное вызывание мутаций используется и экономически оправданно в селекции растений. Пшеница, рожь, кукурузу, ячмень и другие культуры превосходят исходные формы по урожайности, содержанию белка, скороспелости, устойчивости к полеганию, к разным болезням. Советским генетиком Струнниковым В.А. разработан пригодный для практического шелководства и широко теперь внедренный способ получения у тутового шелкопряда только мужского потомства. Коконы самцов содержат на 25-30% больше шелка, чем коконы самок.
Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика - ϶ᴛᴏ наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 ᴦ., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь ʼʼврожденной ошибкой метаболизмаʼʼ. Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие сине-зеленого окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.
В 1914 ᴦ. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.
Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.
Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.
Порфирия – болезнь крупного рогатого скота͵ возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин - ϶ᴛᴏ обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его - ϶ᴛᴏ последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). В случае если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота͵ голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свиней – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свиней – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.
Перечисленные болезни относят к ферментопатиям .
В 1950 ᴦ. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).
Генетический код.
Кодом наследственности или гентическим кодом принято называть процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 ᴦ. в США.
Колинеарность генетического кода
Основы биохимической генетики - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Основы биохимической генетики" 2017, 2018.
Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика – это наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 г., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь «врожденной ошибкой метаболизма». Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие сине-зеленого окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.
В 1914 г. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.
Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.
Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.
Порфирия – болезнь крупного рогатого скота, возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин – это обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его – это последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). Если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота, голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свиней – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свиней – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.
Перечисленные болезни относят к ферментопатиям.
В 1950 г. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).
Генетический код.
Кодом наследственности или гентическим кодом называется процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 г. в США.
Колинеарность генетического кода
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Предмет ветеринарная генетика и ее задачи. Генетика популяций
Эукариотическая клетка клетка грибов растений и животных является основной.. цитоплазма находится внутри цитоплазматической мембраны но вне ядра и представляет собой гиалоплазму жидкую часть и..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: