Основы молекулярной генетики. Методическая разработка на тему: методическая разработка теоретического занятия для преподавателя дисциплина оп.04

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Строение ДНК

Элементарной функциональной единицей наследственности которая определяет развитие признака является ген. Исследования показали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Мишером в 1869 г в ядрах клеток гноя.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота полимер, мономером которого является нуклеотид. Нуклеотид состоит из сахара – пентозы, азотистого основания и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания относятся к двум группам: пуриновые (аденин, гуанин), пиримидиновые (цитозин, тимин). К первому атому углерода С 1 присоединяется азотистое основание, к С 3 – гидроксильная группа ОН, С 4 соединяется с С 5 , к которому присоединяется остаток фосфорной кислоты.

В 1953 г Дж.Уотсон и Ф.Крик предложили структурную формулу ДНК.

Первичная структура ДНК – это последовательно соединенные нуклеотиды, которая образует нуклеотидную цепь. Каждый последующий нуклеотид соединяется с предыдущим путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого, так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь. Сборка полинуклеотидной цепи происходит при участии фермента полимеразы в направлении 5 – 3.Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5, а нижний конец гидроксильную группу в положении 3.

Вторичная структура ДНК – это две полинуклеотидные цепочки соединенные между собой через азотистые основания по принципу комплементарности А-Т, Ц-Г, водородными связями. Между А и Т – 2 связи, а Ц – Г – 3 связи. Полинуклеотидные цепочки антипараллельны, т.е. направление одной цепи 5-3, направление другой – 3-5.

Третичная структура ДНК – две цепочки образуют спираль закрученную вокруг собственной оси. В основном спираль ДНК закручена слева направо. Существует несколько форм правозакрученной ДНК: А-форма, в витке которой находится 11 нуклеотидных пар; В-форма – 10 нуклеотидных пар; С-форма – 9 нуклеотидных пар. Существуют участки, в которых ДНК закручена справа налево – Z-форма – 12 нуклеотидных пар.

В настоящее время продолжается изучение пространственной трехмерной спирали ДНК.

Репликация ДНК

Одним из основных свойств наследственного материала является способность ДНК к самоудвоению – репликации. Репликация происходит в синтетическом периоде интерфазы. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей дочерняя нить. В итоге из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные двойные спирали. Такой способ репликации называется полуконсервативным, т.к. в образовавшихся молекулах ДНК, одна нить – материнская, другая – дочерняя.

Для репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицей. Для этого фермент ДНК – геликаза разрушает водородные связи между азотистыми основаниями цепей ДНК. Отделившиеся цепи выпрямляются при помощи дестабилизирующих белков с образованием репликационной вилки. Синтез дочерних цепей ДНК осуществляется при помощи фермента ДНК-полимераза . Однако, для начала синтеза необходима РНК- затравка (синтезируемая при помощи РНК-праймазы ), из 10 нуклеотидов для получения свободного С 3 -конца с ОН группой. Синтез дочерней нити в направлении 5-3 строится непрерывно и эта нить называется лидирующей . В связи с тем, что противоположная цепь ДНК антипараллельна, то фермент ДНК-полимераза не может присоединять нуклеотиды в противоположном направлении, поэтому другая дочерняя цепь строится участками – фрагментами Оказаки. В каждом фрагменте направление синтеза 5-3 и начинается синтез также с РНК-затравки. В дальнейшем при помощи фермента ДНК-лигазы убирается РНК-затравка и сшиваются фрагменты Оказаки, поэтому эта нить несколько отстает от лидирующей нити и ее называют - запаздывающей (направление нити 3-5).

У прокариот фрагменты Оказаки содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов, у эукариот они короче – от 100 до 200 нуклеотидов. Скорость синтеза белка у прокариот 1000 нуклеотидов секунду, у эукариот – 100 нуклеотидов в секунду. Фрагмент ДНК от точки начала репликации до точки ее окончания образует единицу репликации репликон. У прокариот вся ДНК – один репликон, у эукариот ДНК содержит большое количество репликонов (у человека 50 000 репликонов).

Уровни компактизации ДНК

Известно 5 уровней компактизации ДНК:

1 – нуклеосомный

2 – нуклеомерный

3 – хромомерный

4 – хромонемный

5 – хромосомный.

1 - Нуклеосомный уровень компактизации ДНК представлен нитью ДНК и белками-гистонами и напоминает цепочку бус. Гистоны представлены пятью фракциями: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, гистоны достаточно прочно соединяются с молекулой ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная функция.

Н1 – богатый лизином гистон

Н2А, Н2В – умеренно богатый лизином гистон

Н3, Н4 – богатый аргинином гистон

В нуклеосомы входят 8 молекул четырех фракций гистоновых белков: Н2А, Н2В. Н3 и Н4, которые образуют октамер. Вокруг октомера оборачивается нить ДНК 1,7 раза, которую удерживает гистон Н1. Октомер с нитью ДНК является нуклеосомой. Между нуклеосомами нить ДНК называется линкерной нитью. Количество нуклеотидных пар в нуклеосоме и линкере 200-240. Уменьшение нити ДНК за первый нуклеосомный уровень - в 7 раз.

2 - Нуклеомерный уровень – представлен глобулами, состоящими из 8-12 нуклеосом.

3 - Хромомерный уровень – представлен петлями у основания которых находятся кислые негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК. Эти белки сближают указанные участки с образованием петель. Уменьшение нити ДНК в 30 раз.

4 - Хромонемный уровень – появляется за счет сближения в линейном порядке хромомерных петель с образованием хромонемной нити.

5 – Хромосомный уровень – образуется в результате спиральной укладки хромонемы (или хроматиды). Хромосомный уровень является максимальной степенью компактизации ДНК и достигается в метафазе митоза (мейоза).

Неодинаковая степень компактизации разных участков хромосом имеет большое функциональное значение. В зависимости от состояния хроматина выделяют эухроматиновые участки хромосом, отличающиеся меньшей плотностью компактизации в которых находятся активные гены и которые способны быстрой декомпактизации и транскрипции для синтеза белка.

Гетерохроматиновые участки характеризуются отсутствием активных генов и более высокой плотностью компактизации ДНК. Различают структурный (конститутивный) и факультативный гетерохроматин.

Структурный образован нетранскрибируемой (саттелитный) ДНК. Содержится в теломерных и околоцентромерных участках.

Примером факультативного гетерохроматина служит тельце Бара, которое является одной из двух Х-хромосом у женщины.

Фракции ДНК:

1 – фракция уникальных повторов – 1-3-5 раз на геном. В этих участках ДНК находятся структурные гены.

2 – фракция умеренных повторов 10 2 -10 5 повторов. В этих участках находится информация о рРНК, тРНК, гистоновых белках.

3 – фракция множественных повторов до 10 6 . Эти участки ДНК называются сателлитной ДНК. Эти участки неинформативны, находятся в теломерных участках и около центромер. Участвуют в регуляции активности генов, в конъюгации хромосом при образовании бивалентов, и является спейсерными участками (разделяющими) между информативными участками ДНК.

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, могут быть рецессивными и доминантными;

3. Мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, могут быть 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 – это 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 – это организмы, число хромосом у которых некратное гаплоидному (2п-1, 2п+1). Причиной возникновения гетероплоидов может быть отсутствие разделения хромосом на хроматиды, при отсутствии коньюгации гомологичных хромосом. В зависимости от числа 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. Например, 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 этот синдром называется 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 той или иной 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 («прыгающие гены») могут быть 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. 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. 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, например 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 могут быть 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 – это 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 могут быть 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 г. 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, необходимого 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 называется 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 необходимо 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 – 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

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

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:

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.