лекции по биологии

Трансляция складывается из трех стадий:

1.Инициация – начало синтеза полипептида.

2.Элонгация – удлинение полипептида.

3.Терминация – окончание синтеза полипептида.

На этапе инициации меньшая субъединица рибосомы узнает стартовый кодон АУГ м-РНК и прикрепляется к ней. АУГ занимает первую позицию. После этого присоединяется большая субъединица рибосомы и в ней начинается собственно синтез белка. К большой субъединице подходит т-РНК с аминокислотой.

В молекуле т-РНК одна ее часть присоединяет аминокислоту, а другая – антикодон, спаривается с колоном м-РНК, определяющим эту аминокислоту.

В большой субъединице есть: 1 – аминоацильный участок 2 – пептидильный участок

В т-РНК, антикодон которой комплементарен кодону АУГ м-РНК приносит аминокислоту метианин и останавливается в аминоацильном участке.

Стадия инициации контролируется факторами инициации. У прокариот их 3, у эукариот

6-7.

Вторая стадия – элонгации начинается с перемещения т-РНК с метианином в пептидильный участок, а на ее место приходит другая т -РНК с новой аминокислотой. Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь. Тем временем рибосома продвигается вдоль м-РНК, на рибосоме оказывается новый кодон, к которому вскоре присоединяется своим антикодоном соответствующая т-РНК.

Все это повторяется многократно, до тех пор, пока рибосома не дойдет до одного из терминальных кодонов (УАА, УАГ, УГА).

Этим кодонам нет антикодона, нет аминокислоты. Наступает фаза терминации. К одной молекуле м-РНК прикрепляется обычно много рибосом и образуются полисомы.

60

В процессе трансляции наряду с факторами инициации и элонгации важное значение имеет фермент, связывающий т-РНК с аминоацильным участком – аминоацил т-РНКаза.

Регуляция экспрессии генов у про- и эукариот

Упрокариот она осуществляется на уровне промотора, оператора

итрансляции.

Уэукариот регуляция происходит на всех этапах экспрессии: транскрипции, процессинга и трансляции.

Подробнее остановимся на регуляции экспрессии генов у бактерий.

Регуляция экспрессии генов у прокариот

Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариотической клетки по типу репрессии

Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариотической клетки по типу индукции

В 1961 году Жакоб и Моно установили, что у бактерий под контролем генарегулятора синтезируется белок-репрессор, который регулирует активность других ге-

61

нов. Белок-репрессор связывается с геном-оператором и блокирует его, вследствие чего транскрипция (считывание информации) становится невозможной и клетка не может синтезировать соответствующие белки. Но если в клетку проникает какой-либо субстрат, для расщепления которого необходимо синтезировать ферменты, то происходит следующее: субстрат присоединяется к репрессору и лишает его способности блокировать ген-оператор.

К ДНК присоединяются РНК-синтезирующие ферменты и начинается транскрипция генов. Синтез белка-фермента прекращается, если субстрат полностью расщепляется, белок-репрессор освобождается и снова блокирует гены-операторы. Это пример регуляции по типу индукции. Также существует регуляция по типу репрессии: когда конечные продукты биохимической реакции, соединяясь с неактивным белком-репрессором, образуют комплекс, блокирующий работу гена-оператора.

Антитерминация – заключается в том, что происходит игнорирование терминальных кодонов, процесс экспрессии продолжается.

Регуляция у эукариот

1)Регуляция генной активности у эукариот намного сложнее, чем у бактерий. У эукариот она происходит не только на уровне клетки. Существуют системы регуляции организма как целого. Огромную роль в регуляции играют гормоны, но регулируют они процессы синтеза белков лишь в клетках-мишенях. Гормоны связываются с белкамирецепторами, расположенными в мембранах таких клеток и включают системы изменения структуры клеточных белков. Те, в свою очередь, могут влиять как на процессы транскрипции, так и процессы трансляции. Каждый гормон через систему посредников активирует свою группу генов. Так адреналин включает синтез ферментов, расщепляющих гликоген мышц до глюкозы, а инсулин влияет на образование гликогена из глюкозы в печени.

2)На стадии транскрипции белки-гистоны участвуют в процессах регуляции генной активности у эукариот. Непременное условие – это деконденсация участка, где происходит транскрипция.

3)Регуляция на уровне трансляции направлена на сохранение стабильности м-РНК, а эффективность трансляции осуществляется с помощью факторов инициации, элонгации, терминации.

62

Лекция 12.

Изменчивость

План

1.Определение и формы изменчивости: модификационная, комбинативная, мутационная.

2.Мутагенные факторы.

3.Классификация мутаций.

4.Устойчивость и способы репарации генетического материала.

5.Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И.Вавилова.

Определение и формы изменчивости

Генетика изучает два основных свойства живых существ - наследственность и изменчивость.

Изменчивость - свойство организмов приобретать новые признаки и особенности индивидуального развития под влиянием факторов среды.

Изменчивость - один из важнейших факторов эволюции, обеспечивающих все многообразие живой природы.

Различают два вида изменчивости:

1. Фенотипическую (ненаследственную, модификационную);

2.Генотипическую (наследственную): а) комбинативную; б) мутационную.

Модификационная изменчивость – форма изменчивости, не связанная с изменением генотипа и вызванная влиянием факторов среды.

Модификационная изменчивость имеет особенности:

- не затрагивает наследственную основу организма и поэтому модификации не передаются по наследству, то есть от родителей к потомству, - изменения направлены, происходят закономерно, их можно предсказать, - имеют адаптивное (приспособительное) значение, - имеют массовый (групповой) и обратимый характер,

- определенный фактор внешней среды вызывает сходное изменение у всех особей данного вида.

Модификационная изменчивость имеет предел. Границы изменчивости признака, обусловленные генотипом называются нормой реакции. Она может быть узкой, когда признак изменяется незначительно (цвет глаз), и широкой, когда признак изменяется в широких пределах (рост, масса тела).

В медицине часто приходится устанавливать норму реакции для оценки max и min количественных показателей (уровень гормонов, ферментов, гемоглобина и др.)

Комбинативная изменчивость – это наследственная изменчивость, обусловленная перекомбинацией имеющихся генов и хромосом, без изменения структуры генов и хромосом (наследственного материала). Этот тип изменчивости проявляется уже на стадии образования половых клеток.

Источниками комбинативной изменчивости являются процессы, происходящие в мейозе и в результате оплодотворения:

1.Рекомбинация генов при кроссинговере в профазе1 мейоза.

2.Рекомбинация хромосом в ходе мейоза (независимое расхождение хромосом и хроматид при мейозе)

3.Комбинация хромосом в результате слияния гамет при оплодотворении (случайное сочетание гамет при оплодотворении).

63

Комбинативная изменчивость обеспечивает генотипическое разнообразие людей, объясняет наличие признаков у детей и внуков от родственников по отцовской и материнской линии.

Мутационная изменчивость – способность генетического (наследственного) материала изменяться и эти изменения наследуются в потомстве.

В основе мутационной изменчивости лежат мутации.

Мутации – это внезапные изменения генетического материала под влиянием среды и передающиеся по наследству.

Частота мутаций зависит от вида организма, от возраста, от фазы онтогенеза, стадии гаметогенеза, может происходить в половых и соматических клетках, иметь рецессивный и доминантный характер. Например, у человека до 6% гамет несут мутантные гены.

Процесс образования мутаций называется мутагенезом. Факторы, вызывающие мутации называются мутагенными.

Мутации первоначально действуют на генетический материал особи, а через генотип изменяется и фенотип.

Мутагенные факторы

Факторы, вызывающие мутации называются мутагенными факторами (мутагенами) и подразделяются на:

1.Физические;

2.Химические;

3.Биологические.

Кфизическим мутагенным факторам относятся различные виды излучений, температура, влажность и др. Наиболее сильное мутагенное действие оказывает ионизирующее излучение – рентгеновские лучи, α-, β-, γ- лучи. Они обладают большой проникающей способностью.

При действии их на организм они вызывают:

а) ионизацию тканей – образование свободных радикалов (ОН) или (Н) из воды, находящейся в тканях. Эти ионы вступают в химическое взаимодействие с ДНК, расщепляют нуклеиновую кислоту и другие органические вещества; б) ультрафиолетовое излучение характеризуется меньшей энергией, проникает только

через поверхностные слои кожи и не вызывает ионизацию тканей, но приводит к образованию димеров (химические связи между двумя пиримидиновыми основаниями одной цепочки, чаще Т-Т). Присутствие димеров в ДНК приводит к ошибкам при ее репликации, нарушает считывание генетической информации; в) разрыв нитей веретена деления;

г) нарушение структуры генов и хромосом, т.е. образование генных и хромосомных мутаций.

Кхимическим мутагенам относятся:

-природные органические и неорганические вещества (нитриты, нитраты, алкалоиды, гормоны, ферменты и др.);

-синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды, пищевые консерванты, лекарственные вещества).

-продукты промышленной переработки природных соединений – угля, нефти. Механизмы их действия:

а) дезаминирование – отщепление аминогруппы от молекулы аминокислот; б) подавление синтеза нуклеиновых кислот; в) замена азотистых оснований их аналогами.

64

Химические мутагены вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК.

Кбиологическим мутагенам относятся:

-Вирусы (гриппа, краснухи, кори)

-Невирусные паразитические организмы (грибы, бактерии, простейшие, гельминты)

Механизмы их действия:

а) вирусы встраивают свою ДНК в ДНК клеток хозяина.

б) продукты жизнедеятельности паразитов-возбудителей болезней действуют как химические мутагены.

Биологические мутагены вызывают генные и хромосомные мутации.

Классификация мутаций

Различают следующие основные типы мутаций:

1. По способу возникновения их подразделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные – происходят под действием естественных мутагенных факторов внешней среды без вмешательства человека. Они возникают в условиях естественного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на поверхности земли.

Индуцированные мутации вызываются искусственно воздействием определенных мутагенных факторов.

2. По мутировавшим клеткам мутации подразделяются на генеративные и соматические.

Генеративные – происходят в половых клетках, передаются по наследству при половом размножении.

Соматические – происходят в соматических клетках и передаются только тем клеткам, которые возникают из этой соматической клетки. Они не передаются по наследству.

3. По влиянию на организм:

Отрицательные мутации – летальные (несовместимые с жизнью); полулетальные (снижающие жизнеспособность организма); нейтральные (не влияющие на процессы жизнедеятельности); положительные (повышающие жизнеспособность). Положительные мутации возникают редко, но имеют большое значение для прогрессивной эволюции.

4. По изменениям генетического материала мутации подразделяются на геномные, хромосомные и генные.

Геномные мутации – это мутации, вызванные изменением числа хромосом. Могут появляться лишние гомологичные хромосомы. В хромосомном наборе на месте двух гомологичных хромосом оказываются три – это трисомия. В случае моносомии наблюдается утрата одной хромосомы из пары. При полиплоидии происходит кратное гаплоидному увеличение числа хромосом. Еще один вариант геномной мутации – гаплоидия, при которой остается только одна хромосома из каждой пары.

Хромосомные мутации связаны с нарушением структуры хромосом. К таким мутациям относятся утраты участков хромосом (делеции), добавление участков (дупликация) и поворот участка хромосом на 180° (инверсия).

Генные мутации, при которых изменения происходят на уровне отдельных генов, т.е. участков молекулы ДНК. Это может быть утрата нуклеотидов, замена одного основания на другое, перестановка нуклеотидов или добавление новых.

Устойчивость и репарация генетического материала

Устойчивость к изменениям генетического материала обеспечивается:

65

1.Диплоидным набором хромосом.

2.Двойной спиралью ДНК.

3.Вырожденностью (избыточностью) генетического кода

4.Повтором некоторых генов.

5.Репарацией нарушений структуры ДНК

Наличие механизмов репарации – обязательное условие существования биологических существ.

Репарация генетического материала – это процесс, обеспечивающий восстановление поврежденной структуры молекулы ДНК.

В ДНК клетки ежедневно происходит множество случайных изменений.

Большинство эффективно исправляются (репарируются) с помощью специальных ферментных систем.

Впервые репарация молекулы ДНК была установлена в 1948 году. А в 1962 году был описан один из способов репарации – световая репарация или фотореактивация.

Было установлено, что при ультрафиолетовом облучении вирусов-фагов, бактерий и простейших наблюдается резкое снижение их жизнедеятельности, даже гибель.

Если воздействовать на них видимым светом, то выживаемость их значительно увеличивается.

Оказалось, что под действием ультрафиолета в молекуле ДНК образуются димеры (химические связи между двумя основаниями одной цепочки, чаще Т-Т), образование димеров препятствует считыванию информации.

Видимый свет активирует ферменты, разрушающие димеры.

Второй способ репарации – темновая репарация, была изучена в 50-е годы ХХ века. Темновая репарация протекает в четыре стадии с участием четырех групп ферментов. Ферменты образовались в ходе эволюции и направлены на поддержание стабильности генетической информации клетки.

1.Фермент эндонуклеаза находит поврежденный участок и рядом с ним разрывает нить ДНК.

2.Фермент эктонуклеаза «вырезает» (удаляет) поврежденный участок.

3.ДНК-полимераза по принципу комплементарности синтезирует фрагмент ДНК на месте разрушенного.

4.Лигаза «сшивает» синтезированный фрагмент с основной нитью ДНК.

Доказана возможность репарации ДНК при повреждении обеих ее нитей. При этом информация может быть получена с и-РНК (фермент ревертаза).

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И.Вавилова

Известно, что мутирование происходит в различных направлениях. Однако, это многообразие подчиняется определенной закономерности, обнаруженной в 1920 году Н.И.Вавиловым. Он сформулировал закон гомологических рядов наследственной из-

менчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов».

Можно сказать, что у родственных видов, имеющих общее происхождение возникают сходные мутации.

Одни и те же болезни встречаются у животных и у человека. Так, например, альбинизм наблюдается во всех классах позвоночных животных и человека. Брахидактилия (короткопалость) отмечена у крыс, овец, собак, человека. Мышечная дистрофия – у мышей, крыс, лошадей, человека.

66

Закон гомологических рядов позволяет предвидеть возможность появления мутаций, которые могут быть использованы в селекции для создания новых ценных для хозяйства форм.

Лекция 13

Методы изучения генетики человека

План

1.Генеалогический метод.

2.Близнецовый метод.

3.Метод дерматоглифики.

4.Цитогенетический метод.

5.Метод гибридизации соматических клеток.

6.Онтогенетический метод.

7.Популяционно-статистический метод.

8.Метод моделирования.

9.Иммунологический метод.

10.Биохимический метод.

Генеалогический метод

Типы наследования и формы проявления генетических задатков у человека весьма многообразны и для дифференциации между ними требуются специальные методы анализа, в первую очередь – генеалогический, предложенный Ф.Гальтоном.

Генеалогический метод или изучение родословных предусматривает прослеживание признака в семье или роду с указанием типа родственных связей между членами родословной. В медицинской генетике этот метод обычно называют клиникогенеалогическим, поскольку речь идет о наблюдении патологических признаков с помощью приѐмов клинического обследования. Генеалогический метод относится к наиболее универсальным методам в генетике человека. Он широко применяется при решении теоретических и практических проблем:

67

1)для установления наследственного характера признака,

2)при определении типа наследования и пенетрантности генотипа,

3)выявление сцепления генов и картирование хромосом,

4)при изучении интенсивности мутационного процесса,

5)при расшифровке механизмов взаимодействия генов,

6)при медико-генетическом консультировании.

Суть генеалогического метода сводится к выяснению родственных связей и просле-

живанию признака среди близких и дальних прямых и непрямых родственников. Технически он складывается из двух этапов: составления родословных и генеалогического анализа.

Составление родословной

Сбор сведений о семье начинается с пробанда, которым называется лицо, первым попавшее в поле зрения исследователя.

Дети одной родительской пары (родные братья и сестры) называются сибсами. Семьей в узком смысле, или ядерной семьей, называют родительскую пару и их детей. Более широкий круг кровных родственников лучше обозначать термином «род». Чем больше поколений вовлекается в родословную, тем она обширнее. Это влечѐт за собой неточность полученных сведений и, следовательно, неточность родословной в целом. Часто люди не знают даже числа своих двоюродных братьев и сестер, не говоря уже о какихто признаках у них и их детей.

Для наглядности готовят графическое изображение родословной. Для этого обычно пользуются стандартными символами. Если рассматриваемых признаков в родословной много, то можно прибегать к буквенным или штриховым различиям внутри символов. Схема родословной обязательно сопровождается описанием обозначений под рисунком – легендой, что исключает возможность неправильных истолкований.

Генеалогический анализ

Целью генеалогического анализа является установление генетических закономерностей.

1 этап – установление наследственного характера признака. Если в родословной встречается один и тот же признак несколько раз, то можно думать о наследственной его природе. Однако надо прежде всего исключить возможность экзогенного накопления случаев в семье или роду. Например, если один и тот же патогенный фактор действовал на женщину во время всех беременностей, то у нее могут родиться несколько детей с одинаковыми аномалиями. Или же какой-то фактор действовал на многих членов семьи, необходимо сличить действие сходных внешних факторов. С помощью генеалогического метода были описаны все наследственные болезни.

2 этап – установление типа наследования и пенетрантности гена. Для этого используют принципы как генетического анализа, так и статистические методы обработки данных из родословной.

3 этап – определение групп сцепления и картирования хромосом, до недавнего времени основывающегося только на генеалогическом методе. Выясняют сцепленные признаки

ипроцесс кроссинговера. Этому способствуют разработанные математические методы. 4 этап – изучение мутационного процесса. Он применяется в трех направлениях: при изучении механизмов возникновения мутаций, интенсивности мутационного процесса

ифакторов, вызывающих мутации. Особенно широко генеалогический метод применяется при изучении спонтанных мутаций, когда надо различать «спорадически» возникшие случаи от «семейных».

5 этап – анализ взаимодействия генов в клинической генетике был сделан С.Н.Давиденковым (1934, 1947) по анализу полиморфизма заболеваний нервной системы.

68

6 этап – в медико-генетическом консультировании для составления прогноза без генеалогического метода обойтись нельзя. Выясняют гомоили гетерозиготность родителей и рассматривают вероятность рождения детей с теми или иными признаками.

Близнецовый метод исследования

Исследование близнецов – один из основных методов генетики человека. Существуют однояйцевые близнецы, возникающие из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом. Возникают они из-за разделения зиготы на два генетически идентичных друг другу и всегда однополых зародыша.

Разнояйцовые близнецы развиваются из разных яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами. Генетически они различаются как братья и сестры одних родителей.

При помощи близнецового метода можно изучить:

1)Роль наследственности и среды в формировании физиологических и патологических особенностей организма. В частности, изучение наследственной передачи людьми некоторых болезней. Изучение экспрессивности и пенетрантности генов, вызывающих наследственные заболевания.

2)Конкретные факторы, усиливающие или ослабляющие влияние внешней среды.

3)Корреляцию признаков и функций.

Особенно важна роль близнецового метода в изучении проблемы «генотип и среда».

Сравнивают обычно три группы близнецов: ДБ в одинаковых условиях, ОБ в одинаковых условиях, ОБ в разных условиях.

При изучении близнецов определяют частоту, степень совпадения (конкордантности) тех или иных признаков.

При изучении роли наследственности в происхождении того или иного признака производят расчет по формуле К.Хольцингера.

Коэффициент наследуемости - Н Н= % сходства ОБ - % сходства РБ

100 - % сходства РБ При Н=1 вся изменчивость в популяции обусловлена наследственностью.

При Н=0 вся изменчивость вызвана средовыми факторами. Влияние среды С выражается формулой: С=100% - Н, где Н – коэффициент наследуемости. Например, конкордантность монозиготных (однояйцевых) близнецов 3%. Тогда Н =

67	– 3	= 64 = 0,7 или 70 %. С = 100 – 70 = 30 %
100	– 3		97

Итак, данный признак на 70% обусловлен наследственностью, а на 30% - влиянием факторов внешней среды.

Другой пример. Группы крови по системе АВО у ОБ =100%, т.е. полностью зависит от наследственности.

Частота совпадения групп крови и некоторых заболеваний у близнецов (в %)

№ п/п	Признаки или болезни	ОБ	РБ
1	группы крови АВО	100	64
2	корь	98	94
3	коклюш	97	93
4	шизофрения	86	14

69