Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
РАЗДЕЛ1
Молекулярная биология
Молекулярная основа наследственности
Доказательства роли ДНК в наследственности
1868 - Мишер открыл ДНК
1900 - Активное развитие генетики. Ученые склонялись к мнению, что роль ДНК выполняют белки.
Опыты Гриффитса
1928 - Гриффитс проводил опыты с пневмококком, вызывающим мневмонию у мышей.
Форы пневмоккоков:
1. Вирулентная, гладкая, имеющая полисахаридную капсулу. Если ввести в организ мыши, то мышь заболеет пневмонией (S).
2. Шероховатая, нет капсулы, следовательно, пневмонии не вызывает (R).
Гриффитс нагрел вирулентного пневмококка (убил), смешал с невирулентными ввел мышам. Через некоторое времяу мышей появилась пневмония. В тканях погибших мышей Гриффится обнаруил вирулентные пенвмококки, следовательно вывод, что компонент мертвых бактерий способен трансформировать бескапсульные формы таким образом, что они начали синтезировать полисахара, то есть рпевращаться в вирулентные формы. Это явление он назвал трансформацией, но рпироды трансформирующего вещества он так и не выявил. Это было сделано в 1944 Эвери, Маклеодом и Мак-Карти.
Опыты Эвери, Мак-Леода и Мак-Карти
Они обработали выделенные бактерии дезоксирибонуклеазой и обнаружили, что бактерии теряют возможность трансформации. Далее они обработали эти экстракты протеазами и рибонуклеазами (ферментами, разрывающими РНК), но во вторм и третьем случаях способность бактерий трансформироваться сохранилась. Таким образам было показано, что ДНК - трансформирущее вещество бактерий, то есть ДНК способна переносить информацию от S к R.
Еще одна группа фактов о переносе информации ДНК проведена на вирусах (бактериофагах) в 1952 - Херши и Чейзом. Они взяли бактериофаг Т2, у которого радиоактивным изотопом пометили ДНК по фосфору, а белки по сере и заразили ими клетки кишечной палочки (E. Coli). После заражения обнаружили, что внутрь бактериальной клетки попадает лишь фаговое ДНК, то есть внутри бактериальной клетки обнаружили Р32. Таким образом было окончательно доказано, что наследственным материалом в клетке является ДНК.
Существуют вирусы, у которых в качестве генного материала используется РНК, но во всех случаях генным материалом является нуклеиновая кислота.
Установление роли нуклеиновых кислот в хранении и передачи наследственной информации поставило перед биологами 2 вопроса:
1. Каким образом происходит репликация ДНК?
2. Как генетическая информация передаестся белкам?
Структура нуклеиновых кислот - линейные полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Каждый нуклеотид состоит из:
1.Азотистого основания
2.Пятиуглеродного сахара
3.Остатка фосфорной кислоты
Типы азотистых оснований:
1. Пирамидиновые (У(РНК), Т(ДНК), Ц(ДНК и РНК))
2. Пуриновые (А, Г)
Пентоза входящая в состав ДНК - 2-дезоксирибоза.
Нуклеотиды собираются в полинуклеотидную цепь - остус, состоящий из перемеж-ся сахара и фосфата.
Прострвнственная конфигурация молекул ДНК в 1953 установлена Уотсоном и Криком.
Они основывались на рентгено-структурных данных Уилкинса и Франклина, котрые показали, что ДНК имеет форму спирали, делающую полный оборот за 34 анкстрема, с диаметром 20 анкстрем.
Они использовали наблюдения Чаргоффа, согласно которымотносительное содержание гуанина (Г), равно содержанию цитозина (Ц), а аденина (А) равно тимину (Т). Сумма пуриновых оснований равна сумме пирамидиновах:
А+Т=Г+Ц
Следовательно Уотсон и Крик предположили, что 2 полинуклеотидные цепи ДНК соединяются водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, причем Г соединяется с Ц тремя водороными связями, а А с Т двумя.
Эти реакции называются спариванием оснований, а об основаниях говорят, что они комплиментарны.
Цепи ДНК закреплены в двойную спираль, витки которой идут идут по часовой стрелке, такая конформация называется правозакрученной (В-форма).
В результате суперспирализации в участках В-форм, содержащих около 30 повторов содержания Г-Ц пар, образуютя участкилевозакрученные (Z-форма). Эта форма возникает в ходе кроссинговера в пахитене мейоза. Биологическое значение Z-формы неизвестно. Важной особенностью является антипараллельное расположение ее цепей. Противоположное направление цепей обеспечивает стабильность структуры ДНК.
РЕПЛИКАЦИЯ ДНК
Уотсон и Крик предположили, что цепи ДНК способны к раскручиванию, в результате разрываются водородные связи. Образующиеся одноцепочечные молекулы могут служить матрицей. На основании комплиментарности к ней присоединяется соответствующий нуклеотид, следовательно образуется 2 цепи ДНК, идентичные родительской, такой способ называется полуконсервативным.
Имелось еще 2 гипотезы:
1.Консервативная
Материнская цепь расходится, на ее матрице синтезируется дочерняя. Потом материнская цепь соединяется с материнской, а дочерняя с дочерней.
2.Дисперсная
Материнская цепь делится на кусочки.
Экспериментально гипотезу о полуконсервативном способе репликации подтвердили Мезельсон и Сталь в 1958.
Они работали с кишечной палочкой, которую выращивали на среде, содержащей 15N, поэтому пуриновые и пирамидиновые основания содержали тяжелый азот.
Исходная культура кишечной палочки, выращенные на тяжелом азоте, перенесли на среду, содержащую легкий азот, на время 1 генерации (1 поколение) и на каждом этапе брали пробы, которые помещали в раствор хлористого цезия CsCl и центрифугировали. Обнаружили, что в 1 пробирке клетки на одном уровне, формировали 1 полосу, во второй 1 полоса, но выше, а в третьей 2 полосы – одна на том же уровне, что и у второй и выше.
Репликация ДНК начинается в определенных участках, называемых точками Ori ((.)ori). Эти участки богаты А=Т парами (так как их разделить легче). В клетках прокариот, у которых одна кольцевая молекула ДНК – 1 (.)ori. ДНК эукариот, в хромосомах молекул ДНК несет несколько (.)ori. Это необходимо, чтобы огромные молекулы ДНК могли отреплицироваться во время одного клеточного цикла.
В (.)ori сначала формируется репликационный глазок, который увеличивается, превращаясь в репликационную вилку, в которой начинается процесс репликации.
Механизм репликации
Инициация
Инициация начинается в определенных участках ДНК, называемых (.)ori - это участки богатые А=Т парами, так как они содержат 2Н связи (водородные). Локализация разделенных частей приводит к формированию репликационного глазка, который в последующем переходит в репликационную вилку. Репликационная вилка - U-образная структура, формирующаяся в области репликации.
Гликаза – фермент, разрывающий Н-связи, в результате чего цепи расходятся.
Чтобы цепи ДНК были доступными для ферментов репликации, они должны быть выпрямлены, то есть на них не должно формироваться шпилек. Для этого в клетках имеются специальные белки SSB, которые специфически связываются с одноцепочечной ДНК, поддерживая ее в выпрямленном состоянии.
Чтобы репликационная вилка могла продвигаться вперед, вся хромосома должна быстро раскручиваться и это потребовало бы больших затрат энергии. Это проблема решается в клетке с введением временного одноцепочечного разрыва, который обеспечивается ферментами топоизомеразами. Эти ферменты надрезают одну нить ДНК и образуя свободные концы, снимают напряжение, затем этот фермент зашивает разрыв.
Элонгация
Основным ферментом синтеза ДНК является ДНК-полимераза.
У прокариот существуют 3 основные ДНК-полимеразы, а у эукариот 5(α,β,γ,…).
ДНК-полимераза не способна начинать синтез дочерней цепи – денома. Для того чтобы ДНК-полимераза начала работать ей нужна затравка, то есть спаренный 3’ гидроксильный конец. Эту затравку, состоящую примерно из 10 нуклеотидов, образует фермент праймаза. Далее ДНК-полимераза к этой затравке начинает присоединять нуклеотиды, формируя дочернюю цепь. Дочерняя цепь растет в направлении от 5’ к 3’ концу, то есть новый нуклеотид присоединяется к 3’ концу. В связи с антипараллельностью цепей ДНК, вторая цепь должна расти в направлении к к 5’ концу, но оказывается, что ДНК-полимераза, которая способна присоединять нуклеотиды к к 5’ концу не существует.
В 1960х было показано, что в области репликационной вилки какое-то время существуют фрагменты ДНК, которые имеют величину 1-2 тыс. у прокариот и 100-200 у эукариот. Обнаружил это Оказаки (японец). Эти фрагменты назвали фрагментами Оказаки. Синтез этих компонентов идет в направлении от 3’ к 5’ концу.
На некотором удалении от (.)ori образуется затравка. Когда второй фрагмент доходит до затравки первого, затравка первого вырезается и брежь застраивается ДНК-полимеразой: 5’ и 3’ концы сшиваются ДНК-лигазой и вторая цепь растет в направлении от 3’ - 5’.
СИНТЕЗ БЕЛКА
Транскрипция
Не решен вопрос о том, как РНК оказывается посредником между ДНК и белком. По-видимому в первичных клетках не было различий между ДНК и РНК. Все известные виды РНК имеют одинаковое происхождение, то есть все они транскрибируются с ДНК.
Виды РНК:
1 иРНК
2 тРНК
3 рРНК
Перенос генетической информации может осуществляться 4 путями:
1 ДНКДНК (репликация)
2 ДНКРНК (транскрипция)
3 иРНКБелок (трансляция)
4 РНКДНК (обратная транскрипция, только для вирусов)
У эукариотов транскрипция и трансляция разделены во времени и пространстве. У прокариотов же происходят почти одновременно.
На транскрибирующуюся иРНК присоединяется рибосома и начинается синтез полипептидной молекулы (белка). Сопряженной транскрипции и трансляции бактерии имеют высокую скорость синтеза белка. Исследования показали, что одноцепочечная ДНК является матрицей для иРНК и эта цепь называется матричной или антикодирующей, вторая цепь ДНК называется кодирующей, она имеет такую же последовательность нуклеотидов, как и синтезируемая РНК. У двух разных генов, находящихся в одной молекуле ДНК, кодирующая и антикодирующая цепи могут не совпадать, то есть синтез идет с переменой матрицы. Основным ферментом транскрипции является РНК-полимераза. Это сложные высокомолекулярные белки. У прокариот РНК-полимераза состоит из 5 полинуклеотидных цепей, 4 из них белковые (2α, β, β’), образующих стержень или кор-фермент (мин), пятая полипептидная цепь – δ-фактор, обеспечивающий способность РНК-полимеразы узнавать начало гена (промотор). Фермент состоящий из пяти цепей называют полным или голоферментом.
В клетках имеется как минимум 3 вида полимераз. РНК-полимераза1 особо активна, обнаруживается в ядрышках и обеспечивает синтез рРНК. рРНК синтезирует от 50 до 70% РНК клетки. РНК-полимераза2 находится в нуклеоплазме (ядро) и синтезирует 20-40% всей клеточной РНК в виде гетерогенной ядерной РНК. РНК-полимераза3 определяет синтез тРНК и низкомолекулярной рРНК.
Транскрипция начинается с Инициации. Последовательность, с которой будет осуществляться транскрипция начинается промотором на 3’ конце (ДНК) и заканчивается терминатором на 5’. Этот участок является единицей транскрипции, называется транскриптаном и соответствует современному понятию гена.
Инициация начинается с распознавания гена промотором длиной 41-44 нуклеотида.
РНК-полимераза садится на ДНК в промоторе от -55 до +20. Минимальный участок связан с полимером, состоящим из 12 пар нуклеотидов, известно что в промоторах присутствуют характерные нуклеотидные последовательности, называемые консервативными. Они служат для распознавания стандартной точки РНК-полимеразы. Стандартная точка начинается с пурина (А, Г), влево от нее находится 6-9 нуклеотидов известных как ящик (бокс) Прибнова. Ящик Прибнова состоит из следующих нуклеотидов 5’ ТАТАА(А)Т 3’, предполагают, что такой набор нуклеотидных пар (богатых А=Т)в участках инициации объясняется двумя водородными связями между А и Т. Центральный щик Прибнова приходится на нуклеотид в позицию -10, близкой по составу последовательность находится в положении -35 (богатые А=Т). Этот участок состоит из 9 нуклеотидов, называется районом первичного распознавания и к нему присоединяется δ-фактор РНК-полимеразы.
Иногда, чтобы РНК-полимераза могла начать транскрипцию, требуется присутствие специальных белков (CAP, CRP). Специфичность распознавания субстрата определяется δ-фактором, замена δ-фактора приводит к тому, что РНК-полимераза начинает распознавать и транскрибировать разные гены. Таким образом с заменой δ-фактора при неизменности Ко-фермента, происходит переключение транскрипции с одних генов на другие. Каждый δ-фактор распознает только собственную для него последовательность, расположенную в области от -10 до -35 (у прокариот). У эукариот более подробно изучены промоторы, взаимодействующие с РНК-полимеразой2. Эти промоторы содержат 3 участка в районах с координатой от -25 до -75. Стартовым основанием является А, окруженный пиримидиновыми нуклеотидами. На расстоянии от -19 до -27 нуклеотидов влево от стартовой точки располагается участок похожий на ящик Прибнова, богатый А=Т парами ТАТАТАТ, называемый боксом Хогнеса. Он окружен с двух сторон Г-Ц парами, левее в области с центром -75 находится ящик ЦААТ.
Элонгация
Рост цепи РНК осуществляется сходно с элонгацией цепи ДНК. Рост осуществляется путем присоединения рибонуклеинового трифосфата к 3’ концу с выделением пирофосфата.
Копирование у эукариот осуществляется в пределах одного гена, а у прокариот может захватывать несколько генов и образовывать длинную полицистронную РНК.
Терминация
Транскрипция заканчивается в специальных участках ДНК, содержащих терминирующую последовательность. У некоторых прокариот для увеличения точности транскрипции образуется белок ρ-фактор. Этот белок садится на 5’-конец растущей цепи РНК и продвигается по ней по мере роста цепи. В момент, когда РНК-полимераза остается на терминирующем кодоне, фермент РНК-полимераза захватывает ρ-фактор и сбрасывается с РНК. Терминатор содержит особую последовательность оснований, которые прочитываются одинаково, в противоположных направлениях. Эти участки 5’ЦЦАТГГ3’ играют важную роль полиндром, представляеющий собой
район двойной симметрии и называющийся инвертируемыми повторами. Когда РНК сбрасывается, то полиндром способствует образованию шпильки, она стабилизирует молекулу и не дает РНК-полимеразе отщипиться и образовать новую молекулу.
У эукариот обнаружена особенность: обнаружено, что длинная синтезируемая молекула ДНК уменьшается и достигает размера цитоплазматической РНК. Вновь синтезируемая РНК называется незрелой и гетерогенной ядерной РНК(г.я.РНК).
Чтобы превратиться в зрелую РНК г.я.РНК должна пройти созревание, включающее 2 этапа:
1 сплайсинг
2 процессинг
При анализе обнаружили, что г.я.РНК содержит некодирующие участки – интроны и кодирующие участки – экзоны.
Во время сплайсинга происходит вырезание интронов и сшивание экзонов.
Процессинг- стабилизация молекулы, заключается в том, что 5’-концу присоединяется молекула 7-метилизанилат с образованием кэп, а на 3’ присоединяется 200А и такая РНК становится устойчивой против действия нуклеаз.
Генетический код
Генетический код – это последовательность нуклеотидов. Проблема кодирования была поставлена Г.Гамовым. Он предположил, что генетический код является триплетным, что было подтверждено, то есть каждый триплет кодирует 1 аминокислоту и называется кодоном.Код не перекрывается.
В 1961 Ф.Крик показал, что должен читаться неперекрывающимися последовательностями с фиксированной стартовой точкой, различные части кодовой последовательности не могут считаться независимо друг от друга. Началом синтеза белка для любого гена является кодон АУГ, в конце гена стоят стоп-кодоны УАА, УАГ, УГА, как правило они дублируются. Первым чаще выступает УАА.
Было установлено, что у некоторых бактериофагов число генов меньше числа синтезируемых белков. Этот парадокс удалось разрешить в 1978 Сэнгером с товарищами. Они показали, что у бактериофагов может кодироваться ген внутри гена.
Код является вырожденным, т.е. одной аминокислоте соответствует несколько кодонов.
Код универсален. Накопленные знания сделали код квазиуниверсальным (геном митохондрий).
Трансляция
Идея о матричном синтезе белка выдвинута в 1953-1955 Гамовым, Уотсоном, Криком и Бреннером, но все высказанные гипотезы не могли объяснить точного процесса синтеза белка. В 1956 Макс Хогленд обнаружил, что в клетке имеются аминокислоты с низкомолекулярной РНК, так же он обнаружил ферменты способные соединять аминокислоты с РНК. Эти ферменты назвали аминоацил-тРНК-синтетазы (АРСазы).
Были проведены эксперименты с использованием радиоактивной импульсной метки. Метили РНК и аминокислоты и оказалось, что часть РНК и аминокислот связываются на определенное время с рибосомами, а затем меченные аминокислоты обнаруживаются во вновь синтезированном пептиде (белке), а меченные РНК без аминокислот возвращаются в цитоплазму.
В 1958 Ф. Крик предположил, что при биосинтезе белка должны существовать молекулы-адаптеры, которые должны быть способны:
1. специфически соединятся с аминокислотой
2. узнавать участки иРНК
На роль адаптера подходит тРНК и для выполнения своих функций тРНК должна обладать участками – сайтами:
АРСазы, которые присоединяют тРНК к аминокислоте имеют три активных центра:
Очевидно, что для обеспечения высокой точности процесса трансляции, число АРСаз и тРНК должно быть не менее 20, то есть для каждой аминокислоты имеется свой фермент, узнающий только эту аминокислоту и все типы тРНК, к которым ее можно присоединить. Таких тРНК может быть несколько, так как имеются кодоны-синонимы, связывающие тРНК с аминокислотой, связь осуществляется через ковалентную связь.
В 1962 Ф. Шапвиль доказал, что только тРНК, а не связанная с ней аминокислота узнает то место, которое данная аминокислота должна занять в растущем пептиде (белке). В 1965 Р.Холли впервые расшифровал строение аланиновой тРНК, а затем еще 10 тРНК. Молекула тРНК имеет форму трилистника, стебли которого образуют комплексные участки тРНК.
Оказалось, что специфические для каждой тРНК АРСазы соответствует проекции Д-петли, то есть по Д-петле АРСаза узнает свою тРНК, а другие центры АРСазы контактируют с аминокислотой, которую он и присоединяет к тРНК. После соединения аминокислоты и тРНК образуется аминоацил-тРНК.
Спаривание антикодонов тРНК и соответствующего ему кодона матричной РНК происходит таким образом, что третье 3’ основание кодона связывается с первым 5’ антикодоном. Но из-за вырожденности генетического кода могут существовать несколько тРНК, располагающих различние кодоны одной аминокислоты, прочие Н-связи с антикодонами образующими только первые 2 неклеотидных кодона, третье основание (нуклеотид) образует менее прочные связи с антикодонами. Ф. Крик предположил гипотезу, согласно которой при взаимодействии кодона иРНК не всегда соблюдается принцип комплиментарности => третье основание кодона начинает колебаться, то есть спариваться с различные необязательными комплиментарными основаниями.
Биосинтез белка
Рибосомы
Рибосомы – это органоиды клетки, в которых происходит биосинтез белка. У прокариот и эукариот сходны по своим функциям и строению. Каждая состоит и двух субъединиц: большой и малой. Размеры рибосом очень мала и поэтому указываются в единицах сведберга, которые отражают скорость осаждения рибосом при их центрифегировании (S).
|
Прокариоты |
Эукариоты |
|
|
Рибосома |
70S |
80S |
|
Большая субъединица |
50S |
60S |
|
Малая субъединица |
30S |
40S |
Прокариоты
Их рибосомы в больших субъединицах соединяют 2 молекулы рРНК. В малой субъединице 1 молекула рРНК. Эта РНК состоит на 2/3 из рибосомальной, а на 1/3 из белка.
Эукариоты
В большой субъединице 3 молекулы рРНК, а в малой субъединице 1 молекула рРНК. Белки и РНК в рибосоме способны к самосборке.
В рибосомах обоих типов имеется 1 бороздка, удерживающая рост полипептидной цепи и 2ая бороздка, удерживающая молекулы иРНК.
Было установлено, что белки синтезируются от аминного конца к карбоксильному.
R
NH2
COOH
У прокариот образуются полисомы, когда на 1 молекуле иРНК садится несколько рибосом с плотностью 1 рибосома на 80 нуклеотидов. Рибосома находится на 5’ конце и РНК несет самые короткие полипептидные цепи, на 3’ самые длинные.
Как только рибосома освобождается от полипептида. Она распадается на 2 субъединицы, они могут участвовать в синтезе снова.
Инициация трансляции
Когда начинается синтез полипептида, сначала синтезируется специальный пептид, с помощью которого рибосома прикрепляется к мембране шероховатой ЭПС.
Первый настоящий трансляционный кодон располагается на расстоянии 25 нуклеотидов от 5’ конца.
Первая аминокислота в синтезируемом полипептиде всегда метианин или формилметионин.
Сигналом инициации трансляции служит кодон АЦГ или ГЦГ, которому предшествует несколько оснований способных спариваться с малой субъединицей рибосомы. Таким образом начало синтеза белка определяется:
Эта ассоциация называется 3OS-комплекс
Для формирования этого комплекса требуются гуанинтрифосфаты, а так же 3 белка, которые называются факторами инициации (YF1, YF2, YF3).
Установлено, что YF3 связывает иРНК с малой субъединицей рибосом, а YF1 и YF2 способны связывать тРНК с иРНК и малой субъединицей.
Затем большая субъединица присоединяется к 30S-комплексу и рибосома готова к элонгации.
В рибосомах имеется 2 участка, связывающих молекулы тРНК. Первый из них удерживает молекулу тРНК, присоединяясь к растущему полипептида (Р-участок), второй служит для удержания второй молекулы только что построенной тРНК с аминокислотой (А-участок).
Присоединение тРНК происходит в том случае, если ее антикодоны комплиментарны кодонам иРНК.
А и Р участки располагаются очень близко друг к другу, так что две связанные молекулы тРНК спариваются с двумя соседними кодонами иРНК молекулы формилметионина (метионина). тРНК занимает на рибосоме Р-участок, А-участок связывает вторую молекулу тРНК.
Две аминокислоты, оказавшиеся рядом, вступают в реакцию с образованием пептидной связи, это реакция синтеза каталитического фермента пептидилтрансферазы.
Завершается элонгация транслокацией, то есть перемещением тРНК из А-участка в Р-участок.
В это время рибосома перемещается вдоль матричной РНК на 1 триплет. Процесс транслокации включает в себя возвращение свободной молекулы тРНК, отделившейся от полипептидной цепи в Р-участок цитоплазмы.
После этого незанятый свободный А-участок может принять новую молекулу тРНК и цикл начнется снова.
Матричная РНК заканчивается на 3’ конце стоп кодоном. Особые белки, называемые факторами освобождения (релизинг факторы) непосредственно связываются с любым стоп кодоном, достигает А-участка рибосом. Это связывание изменяет активность пептидилтрансферазы и такой фермент присоединяется на свободную аминогруппу, молекулу Н2О. Следовательно карбоксильный конец, расущей полипептидной цепи, отделяется от молекулы тРНК и белковая цепь оказывается свободной. Образовавшаяся полипептидная молекула трансформируется за счет образовавшихся водородный связей, дисульфидных связей, фосфорилирования. Следовательно формируются вторичная, третичная, четвертичная структуры белки.
Регуляция активности генов
В 1961г Франсуа Жакоб, Жан-Луи Мано и Андре Мишель Львов предложили свою модель регуляции генетической активности у кишечных бактерий. Они впервые выдвинули идею о том, что существуют гены-продуценты (рабочие гены) и главные гены (регуляторные), которые регулируют активность рабочих генов.
Предложили для лактозного оперона (lac-оперон) кластер генов, содержащих информацию, продукты которых обеспечивают усвоение молочного сахара – лактозы.
Оперон состоит из двух частей:
Регулирующая часть работает всегда, к ее промотору присоединяется РНК-полимераза, считывает информацию, образует иРНК.
На матричной иРНК транслируется регуляторный белок. Он имеет сродство оперону рабочей части и взаимодействует с ним.
Предположим, что бактерии поместили в раствор лактозы. Ей требуется 3 фермента,чтобы переработать лактозу. Пока в клетке не было лактозы, регулирующий белок, соединяющийся с оператором не позволяющим РНК-полимеразе переместиться и транскрибировать структурные гены, то есть белки-ферменты не синтезируются.
Когда в среде появилась лактоза, она соединилась с белком-регулятором и изменила его конформацию, после чего регулирующий белок отходит от оператора и освобождает путь к структурным генам.
РНК-полимераза транскрибирует 3 структурных гена, образуется длинный полицистрон иРНК. На нее садятся рибосомы, происходит трансляция, образуется 3 фермента, которые обеспечивают расщепление лактозы.
Когда вся лактоза переработана, вновь образуются регулирующие белки, образуется белок в области оператора и следующие молекулы РНК-полимеразы не могут пройти к структурным генам, в результате чего синтезируется иРНК и соответствующие ферменты прекращают свою работу.
Так работает большинство генов у бактерий.
Известно, что в обмене веществ в клетке имеется 2 стороны:
Следовательно выделяется два типа регуляции:
Кроме того обнаружили, что индуцируемый и репрессируемый опероны могут быть 2х типов с негативным контр опероном, когда присутствие белка оперон блокирует транскрипцию (#lac-оперон) и позитивным контр опероном, когда присоединение белка стимулирует транскрипцию(наоборот негативный) #ara-оперон (содержание комплиментарных генов, необходимых для расщепления сахара арабинозы до ксилуроза-5-фосфата).
Арабинозный оперон состоит из П, R, t.
П – R – t – A – П – О – S – 1 - 2 - 3 - t
Регулирующая часть работающая всегда и обеспечивающая переработку регулирующего белка, называется апоиндуктором, но этот белок не модет присоединиться к оператору в чистом виде, он присоединяется после того как соединится с арабинозой. Образуется комплекс. Этот комплекс ara-белка и апоиндуктора стимулируют транскрипцию, то есть без этого комплекса РНК-полимераза не способна соединяться с промотором и транскрибировать иРНК.
Репрессируемые опероны обнаружены в 1872. Исследованы в США Ч.Янковским. Таким опероном будет являться триптофановый оперон. Транскрипция иРНК с этого оперона кодирует 5 ферментов, которые превращают вещество харизмат в аминокислоту триптофан.
Триптофановый оперон имеет 2 уровня:
-//- 4 – 5 – t
Регулирующая часть работает всегда, с нее строится белок, который соединяется с триптофаном и присоединяется к оперону, блокируя транскрипцию, то есть когда в среде много триптофана, белок не работает. Когда в клетке необходим триптофан, комплиментарный триптофану репрессор распаковывается, свободный оператор и РНК-полимераза начинают транскрипцию. Следовательно трансляция идет 5 необходимых ферментов и клетка вырабатывает триптофан. Когда его достаточное количество, он соединяется с репрессором. Этот комплекс блокирует транскрипцию и синтез фермента прекращается.
Раздел2
Общая генетика
Развитие представлений о генетике
Генетика – наука о наследственности и изменчивости организма. Она лежит в основе сущности живого так как связана с основными процессами, определяющими жизнедеятельность организма.
Генетика имеет значение для:
Корпускулярная (дискретная) теория выдвинута Менделем в 1865 и согласно ей:
Заслугой Менделя является то, что он увидел у растений дискретные признаки, выявил их постоянство, контрастность проявления, ввел понятие доминантности и рецессивности.
В результате он установил:
1. у гибридов первого поколения проявляется признак одного из родителей (единообразие)
2. расщепление
Для объяснения найденных закономерностей Мендель предположил, что гаметы каждой из родительских особей несут по одному из наследственных факторов, а у гибридов гаметы соединены случайным образом, но так как действует закон доминирования, внешне гибриды выглядят как одна из родительских особей. Рецессивная аллель в клетке сохраняется и это становится очевидно во втором поколении, чему предшествует расхождение рецессивных и доминантных факторов по гаметам – гипотеза частоты гамет.
Для обозначения доминантного и рецессивного признаков Бэтсон предложил термин аллеломорфы (А,а), а в 1926 Иогансен трансформировал этот термин в термин аллель.
Пара аллелей соответствует двум контрастным состояниям гена. Контрастные формы, которые при самоопылении в дальнейшем не дают расщепления Бэтсон назвал гомозиготами, а дающих расщепление – гетерозиготами.
Для того чтобы проявилось явление гомозиготности или гетерозиготности используют анализирующее скрещивание, то есть скрещивают данный организм с рецессивной гомозиготой.
Если в результате скрещивания наблюдается единообразие, то исследуемая особь гомозигота, если же наблюдается соотношение 1:1, то гетерозигота.
Кроме полного доминирования обнаружилось неполное доминирование, при котором гетерозиготы имеют промежуточный между гомозиготами фенотип.
Ко-доминирование – явление, при котором оба аллеля дают равноценный вклад в формирование фенотипа. Аллели совместно проявляются в фенотипе и не один не доминирует над другим, то есть образуется новый признак.
|
Фенотип |
Генотип |
|
M |
|
|
N |
|
|
MN |
Справедливость законов Менделя была подтверждена для множества организмов, но обнаружились случаи, когда наблюдаемое соотношение не укладывалось в классические схемы. Причины отклонений:
Они были обнаружены при скрещивании желтых мышей:
P ♀Aa ͯ ♂Aa При анализе данной системы выяснилось, что гомозиготы погибли в
Желтый эмбриогенезе и живыми остались только гомозиготы. Если гены
F AA, Aa, aa уменьшают жизнедеятельность, но не приводят к 100% смертности, они (летал) Ж называются полулетальными (сублетальными).
1 : 2 : 1
Множественный аллелизм
При анализе ряда признаков обнаружилось, что их проявление контролируется геном, который имеет больше двух аллельных вариантов, в этом случае наблюдается увеличение числа генотипов и фенотипов, с точки зрения это дает организмам больше возможностей для адаптации.
# группа крови
˃˃
1.
2(A). ,
3(B). ,
4(AB).
3. Закон независимого наследования признаков
P ♀AABB ͯ ♂aabb
F ♀ AaBb ͯ ♂AaBb
F2 _A_B желтый гладкий
A_bb желтый морщинистый
aaB_ зеленый гладкий
aabb зеленый морщинистый
Большое значение играет расхождение хромосом в процессе мейоза.
Взаимодействие неаллельных генов
По мере накопления данных было обнаружено отклонение от классических Менделеевских расщеплений, которое объясняется тем, что некоторые признаки могут контролироваться не одним, а несколькими генами. В зависимости от характера взаимодействия этих генов выделяют три типа взаимодействия:
Комплиментарность – взаимодействие неаллельных эквивалентных или неэквивалентных генов, при котором появляется новый признак.
Типы расщепления:
A – голубой
a – белый
B – желтый
b – белый
A_B_ - зеленый
P ♀AAbb ͯ ♂aaBB
Голубой Желтый
F1 AaBb ͯ AaBb
Зеленый
F2 A_B_ зеленый
A_bb голубой
aaBb желтый
aabb белый
9:3:3:1
A – сферическая
a – удлиненная
В – сферическая
b – удлиненная
A_B_ - дисковидная
P ♀AAbb ͯ ♂aaBB
сферическая
F1 AaBb ͯ AaBb
дисковидная
F2 A_B_ - дисковидная
A_bb - сферическая
aaB_ - сферическая
aabb - удлиненная 9:6:1
А – черный
а – белый
В – обеспечивает распределение пигмента по волосу
b – не обеспечивает распределение пигмента по волосу
A_B_ - агути
P ♀AAbb ͯ ♂aaBB
Черный белый
F1 AaBb ͯ AaBb
Агути
F2 A_B_ агути
A_bb черный
aaB_ белый
aabb белый
9:3:4
A – синий пропигмент1
a – нет пропигмента1
B – пропигмент2
b – не обеспечивает синтеза пропигмента2
A_B_ - пигмент (красный)
P ♀AAbb ͯ ♂aaBB
Белый
F1 AaBb ͯ AaBb
Красный
F2 A_B_ красный
A_bb белый
aaB_ белый
aabb
9:7
Эпистаз – тип взаимодействия неаллельных генов, при котором один ген подавляет другого неаллельного ему гена.
Ген-подавитель – ген-супрессор (эпистатический ген) – подавляемый ген.
Ген-супрессор может быть доминантным или рецессивным, следовательно различают:
Доминантный эпистаз
Рассмотрим на примере наследования окраски шерсти у лошадей.
A – вороная
A – рыжая
B – супрессор (серый)
b – проявитель
P ♀AAbb ͯ ♂aaBB
Вороная
F1 AaBb ͯ AaBb
Серая
F2 A_B_ - серая
A_bb - вороная
aaB_ - серая
aabb - рыжая
12:3:1
Или на примере наследования окраски оперения у кур.
A – пигмент (пестрый)
a – пигмента нет (белый)
B – супрессор (белый)
b – проявитель
P ♀AAbb ͯ ♂aaBB
Пестрый Белый
F1 AaBb ͯ AaBb
Белый
F2 A_B_ - белый
A_bb – пестрый
aaB_ - белый
aabb – белый
13:3
Рецессивный эпистаз
Рассмотрим на примере наследования окраски плодов тыквы.
A – желтый
a – зеленый
B – проявление окраски
b – супрессор (белый)
P ♀AAbb ͯ ♂aaBB
Белый Зеленый
F1 AaBb ͯ AaBb
Желтый
F2 A_B_ - желтый
A_bb - белый
aaB_ - зеленый
aabb - белый
9:4:3
Бамбийский феномен
Полимерия – тип взаимодействия неаллельных генов эквивалентных в своем проявлении, действие которых может суммироваться. Если действие генов суммируется, то речь идет о кумулятивной (накопительной) полимерии. В этом случае степень выраженности признается зависимой от количества доминирующих аллелей в генотипе. Полимерийные гены обозначаются буквами с цифрами, нарпимер: А1, А2, …
Рассмотрим это на примере наследования пигмента кожи у человека. Допустим, что цвет А1,А2 пигмент определяется двумя аллелями а1,а2 нет пигмента.
P ♀A1A1A2A2 ͯ ♂a1a1a2a2
Негр Белый
F1 ♀A1a1A2a2 ͯ ♂A1a1A2a2
Мулат
F2 А1А1А2А2 – негр
А1А1А2а2 – темный мулат
А1а1А2А2 – темный мулат
А1А1а2а2 – мулат
а 1а1А2А2 – мулат
А1а1А2а2 – мулат
А1а1а2а2 – светлый мулат
а 1а1А2а2 – светлый мулат
а 1а1а2а2 - белый
:
Пигментированные Белые
1:4:6:4:1
Некумулятивная полимерия
Признаки контролируемые двумя и более неаллельными генами, но фенотип проявляемых признаков не зависит от количества доминантных аллелей. По типу кумулятивной полимерии наследуются качественные признаки.
Рассмотрим это на примере наследования формы плода у
А1,А2 – треугольная
а 1,а2 – круглая
P ♀A1A1A2A2 ͯ ♂a1a1a2a2
Треугольная Круглая
F1 ♀А1а1А2а2 ͯ ♂А1а1А2а2
Треугольная
F2 треугольных : круглых
А1…. а 1а1а2а2
Генетика пола
Наиболее другой формой размножения является обоеполость, при которой особи способны производить мужские и женские половые клетки.
С возникновением раздельнополости эта способность утратилась, но исследования показывают, что даже при раздельнополости любая особь остается потенциально обоеполой, то есть сохраняет тенденцию к развитию как мужских, так и женских клеток и в зависимости от преобладания получается особь мужского или женского пола.
В зависимости от времени оплодотворения выделяют три вида определения пола:
1.прогамное, когда пол потомка определяется до момента оплодотворения.
#птицы, бабочки
♀XY, ♂XX
2.сингамное, когда пол определяется в момент оплодотворения
#человек и млекопитающие
3.эпигамное, когда пол потомка определяется после оплодотворения
#морской червь Бонеллия
Самка имеет большие размеры, самец же наоборот микроскопические. Он живет в матке самки. Если личинка попадает на дно водоема, то она становится самкой, если же на хоботок самки, то самцом. Этот самец мигрирует в матку самки.
Пол – комплекс морфологических и физиологических особенностей организма, дающих возможность оставить потомство и передать ему генетическую информацию.
Уровни половой диференцировки:
Генетика определения пола
Как и всякий признак пол определяется генетическими факторами. Доказательством служат закономерности распространения по полу.
#человек
Было обнаружено, что большее число хромосом одинаково у двух полов – аутосомы, но одна пара отличается – половые хромосомы.
♀44А + ХХ 22A + X
гамета
♂44А + XY 22A + X
22A + Y
гамета
Protenor (у человека Ligeus)
Пол определяется количеством половых хромосом.
♀2А + ХХ
♂2А + Х
Дрозофила
Определение пола идет соотношением числа Х хромосом к числу набора аутосом:
I= I=1 самка I<суперсамец
I=самец <I<1 интерсекс
I>1 суперсамка
Определение пола балансом между числом Х хромосом и набором аутосом выявлено Бриджесом и называется балансовой теорией пола.
Он обнаружил триплоидную самку:
♀ 3АХХХ ͯ ♂ 2АХY
|
♂ ♀ |
2A+XX |
1A+X |
2A+X |
1A+XX |
|
1A+X |
3AXXX ♀ =1 |
2AXX ♀ |
3AXX интерсекс |
2AXXX Суперсамка |
|
1A+Y |
3AXXY интерсекс |
2AXY ♂ |
3AXY суперсамец |
2AXXY ♂ |
Подтверждение того, что пол определяется на хромосомном уровне это гинандроморфизм. Это особи, у которых одна часть тела мужская, а другая женская. Обнаруживается у насекомых, рыб, птиц. Может быть передне-задние и билатеральные.
Дрозофила
Наследование признаков, сцепленных с полом
Обычно наследование пола при аналогичных признаках не зависит от того, кто из родителей является обладателем исследуемого признака. В некоторых случаях изменение направления скрещивания давало разные результаты. Объяснялось это тем, что гены эти находились в половых хромосомах (Х).
#дальтонизм (d)
D- норма
d – дальтонизм
P ♀ ͯ ♂Y P ♀ ͯ ♂
F1 , F1
#альбинизм
P ♀AA ͯ ♂aa P ♀aa ͯ ♂AA
F1 Aa
Для признаков сцепленных с полом результаты скрещивания зависят от того, кто из родителей является обладателем исследуемого признака. Скрещивание с изменением направления (то есть изменением пола обладателя исследуемого признака) называется рецепрокным скрещиванием и он используется для выявления признака сцепленного с X-хромосомой.
Особи гетерогаметного пола несут по 1 аллели каждой пары генов, лежащих в Х-хромосоме. В Y-хромосоме для подавления большинства генов соответствующих аллелей нет. Состояние, когда диплодный организм имеет только 1 аллель данной пары, называется гемизиготностью.
В Y-хромосоме есть участок гомологичный участку Х-хромосомы.
Y-хромосома у человека несет небольшое количество генов и признаков, гены которых находятся в Y-хромосоме и проявляются только у мужчин называемые голандрическими.
Нарушение в расхождении половых хромосом у человека
Если при формировании половых клеток имеет место нарушение в расхождении половых хромосом, то в результате после оплодотворения формируется организм с нарушением половой дифференцировки. Эти заболевания относятся к хроническим болезням и имеют ряд специфических симптомов.
Это может быть моногамия по Х-хромосоме или синдром Шершевского-Тернера. Индивид имеет 45,Х0. Это самка, частота встречаемости 2:10000.
Типичным симптомом является низкий рост (140,8). Для них типичны крыловидные складки на шее. Они кожные. Широкая грудная клетка, инфантильность, бесплодие, так как вместо яичников соединительнотканные тяжи. У новорожденных наблюдается лимфатический отек, короткая шея, недоразвитые вторичные половые признаки. Часто порок сердечно-сосудистой системы, почек, нарушение скелета. Интеллект сохранный.
Трисомия по Х (47,ХХХ)
48,ХХХ полисомия по Х
49ХХХХХ
Частота встречаемости 1,3:1000
Мозаичные варианты
Выявив такие самки при массовом обследовании новорожденных, школьников, больных психических клиник. У большинства больных нормальные физические и интеллектуальные данные. Они плодовиты, у некоторых описаны изменения в половой системе, часто наблюдается вторичная аминория, дисминория, ранняя минопауза.
Соматические аномалии выражены слабо, интеллект в норме или ниже границы нормы. Чаще других болеют шизофренией. Увеличены дополнительных Х-хромосом, частичная степень отклонения от нормы (повышение).
Синдром Клайнфельтера
Типы:
47,ХХY
Частота встречаемости 1,5:1000 ♂
48,ХХY РЕДКО
49,XXY РЕДКО
До полного созревания такие мальчики не отличаются от нормальных. В период полового созревания у них наблюдаются недоразвитие яичек и гиаленоз семенного канатика, недоразвиты вторичные половые признаки. При высоком росте женский тип телосложения, наблюдается увеличение грудных желез, оволосевание по женскому типу, низкое половое влечение, импотенция, бесплодие, 15-20% больных имеют низкий интеллект.
47,ХYY
1:1000
Фенотипически они нормальные, отличаются выраженной мышечной массой, высоким ростом, интеллект сохранен, у 20% снижена плодовитость.
Определение пола на уровне ганад
Ганады – половые железы (яичники, семенники)
Формирование закладок половых желез внутренних и наружных половых органов происходит у человека до 5-ой недели эмбрионального развития и на этом этапе оно обеспечивает одно скрещивание хромосом и идет одинаково у эмбрионов с набором 46ХХ, 46ХY, 45Х0. В это время у эмбрионов формируется две первые недифференцированные ганады, парные Мюллеровы протоки и парные Вольфовы протоки. В течение 6 недель эмбрионального развития дифференцировка половых органов зависит от вторичных половых хромосом. Если вторая половая хромосома Y, то на ее коротком плече находится ген SRY, продукт которого определяет наработку тесты детермитированних факторов (ТДФ), который направляет развитие ганад в сторону мужских половых желез (тестикул). Если вторая половая хромосома – Х, то недифференцированные ганады формируют женские половые железы – яичники. Дифференцировка структуры половой системы будет проходить под действием гормонов, которые будут выражены в дифференцированных ганадах.
Если ганады дифференцированы по женскому типу, то в них выражены женские половые гормоны – эстрагены. Под их действием из Мюллеровых протоков формируются маточные трубы, матка, верхняя треть влагалища. Одновременно вырабатывается антивольфов фактор, под действием которого редуцируются вольфовы протоки, если ганады дифференцируются по мужскому типу, под действием которых из вольфовых протоков образуется семенные пузырьки и протоки и идет дальнейшее формирование внутренних и наружных половых органов.
В семенниках нарушается антимюллеров фактор, который вызывает редукцию Мюллеровых протоков.
Если эти процессы проходят как надо, то рождается нормальная девочка или нормальный мальчик.
Если направление в работе системы на различных уровнях дифференцировки вызывает неполное развитие девочки или мальчика фенотипически, следовательно формируется нарушение, которое классифицируется как интерсексуальное состояние, число которых относит ложный гермофрадитизм, то есть несоответствие генотипического и фенотипического пола.
#мужской псевдогермофрадитизм может быть синдромом тестикулярной феминизации.
При рождении аномалии не проявляются, рождается фенотипически нормальный мальчик. В детском возрасте синдром идентифицируется, если при паховых грыжах обнаруживаются семенники. Больные имеют мужской кариотип и мужские ганады, а структурно нарушены половые органы девочек. С наступлением половой зрелости у таких женщин наблюдается аминория, отсутствие волос на теле. У взрослых женщин рост и пропорции тела женские, ноги длинные, молочные железы развиты хорошо, наружные половые органы по женскому типу, внутренние половые органы развиты плохо, андрогены секретируются в нормальных количествах, но дифекторные рецепторы не воспринимают их. Психическое развитие по женскому типу, есть особенности в развитии мозга, поведении, бесплодны.
Ложный женский гермофрадитизм – генотип женский, а фенотип мужской – андрогенитический синдром.
Истинный гермофрадитизм наблюдается при наличии у индивида мужских и женских ганад (редко).
Сцепленное наследование. Сцепление генов и локализация их в хромосоме.
Явление сцепления генов обнаружено в 1906 году Бэтценом и Пинненом. Они провели опыты с горошком, 2 расы различные по форме пыльцы и формы венчика. Не получили расщепления 9:3:3:1
Исследованные признаки остались в тех же сочетаниях, что и у родительских особей. Авторы обозначили это как притяжение.
Понимание сущности этого явления стало возможным в результате работе Моргана. Под сцеплением генов понимают совместную передачу их из поколения в поколение.
Явление сцепления проанализировано Морганом в эксперименте на дрозофиле (2пары признаков: окраска тела и форма крыльев).
Далее проводят анализирующее рецепрокное скрещивание:
Так как большая часть потомков в первом варианте скрещивания и все потомки во втором варианте скрещивания имели признаки в сочетании родительских. Морган делает вывод, что гены сцеплены и находятся в одной хромосоме.
Появление двух классов мух, у которых наблюдается новая комбинация признаков, не свойственных родителям , Морган объясняет это процессом кроссинговера в профазе мейоза1.
За счет этого получается потомство с сочетанием признаков (аллелей), которых не было у родителей.
Чтобы отличить сцепленное наследование от независимого предлагают записывать генотипы сцепленных генов в виде:
При сцепленном наследовании необходимо учитывать фазу сцепления, то есть расположение рецессивных и доминантных аллелей в хромосоме.
Фазы сцепления:
При полном сцеплении кроссинговер не идет, в результате гаметогении образуется 2 клетки гамет.
Неполное сцепление – идет кроссинговер, образуются кросоверные и некросоверные гаметы:
В этом случае сложно отличить сцепленные гены от независимого наследования.
На основании этих признаков Морган предложил составить карты расположения генов в хромосоме. Он исходил из того, что частичный кроссинговер одинаков на любом участке хромосомы, следовательно чем ближе расположены гены в хромосоме, тем реже между ними кроссинговер.
Доля (%) кроссинговерных потомков будет отражаться расстоянием между генами.
1%=1сантиморган
Картирование генов у человека
Картировать ген значит определить в какой хромосоме и в каком локусе он находится.
Методы:
Метод основан на анализе родословных и непрерывным условием для этого метода является знание генотипов родителей. Наиболее часто применяется для анализа сцепленных генов локализованных в хромосоме.
Чтобы определить взаиморасположение генов в хромосоме необходимы родословные.
Чтобы определить кто из детей кроссоверный, а кто нет необходимо знать фазу сцепления генов у матери. Если:
-- цис , HD, hd
--транс
Чтобы определить фазу сцепления у матери, необходимо знать фенотип ее отца.
Если он здоров или у него две аномалии – цис
Если одна аномалия – транс
|
Номер семьи |
кроссоверные |
Некроссоверные |
|
1 |
2 |
3 |
Получение гибридных соматических клеток
1960 Ж.Барски в Париже обнаружил, что клетки двух разных видов могут сливаться, образуя гибридные клетки. Но спонтанное самопроизвольное слияние клеток происходит редко, но этот процесс можно стимулировать вирусами или химическими веществами.
Эти гибридные клетки характеризуются свойствами:
В идеале, если бы можно было получить 24 клетки
40 + 1я
40 + 2я
и тд
Все белки наработанные в этом клоне будут транслироваться с генов, находящихся в хромосоме (человека).
Такие клоны появляются редко и следовательно используются для анализа.
№3 №2
Процесс выборки клонов заключается в том, чтобы каждая хромосома имела свою комбинацию + и -.
Использование транслокации и делеции в картировании генов
Транслокация – обмен участками между негомологичными хромосомами.
Делеция – утрата участка хромосомы.
Взяли клетки этой самки и сгибрировали их с клетками мыши. Было известно, что гены трех ферментов, находящихся в Х-хромосоме, требовали определенного локуса.
Гены всех трех ферментов находятся в длинном плече Х-хромосомы. Чтобы установить последовательность используют гибридизацию соматической клетки, имеющей разную величину делеции.
Наиболее терминальный 1.
При утрате гена утрачивается и фермент.
Получают:
иРНК (выделяется из эритроцитов) под действием обратной транскриптазы на материнской РНК строит ДНК.
Если поместить молекулу в специальное устройство, то на материнской молекуле РНК получают копии ДНК. Это такие же ДНК, как те с которых считывают РНК.
Помеченные ДНК и полученные ДНК-зонды.
Берем клетку человека и культивируем их, в определенный момент клеточного цикла добавляем зонды в культуру и подвергаем клетки мягкой денатурации (под действием температуры). Затем молекулы ДНК начинают распространяться на цепи, затем температура возвращается в норму и начинается процесс ренатурации. Присоединившиеся зонды займут комплиментарные себе участки на соответствующей молекуле ДНК.
Затем доводим культуру до стадии метафазы. Увидим на хромосоме метку определенного участка гена и хромосому в которой он находится.
С помощью этой метки можно определить в какой хромосоме и в каком участке находится ген.
Широко используется в диагностике патологий в родословных.
Раздел3
Изменчивость
Изменчивость – это способность организмов получать новые признаки и передавать их последующим поколениям.
Виды изменчивости:
Наследственная изменчивость может быть результатом мутаций, рекомбинаций и переноса внехромосомных генов.
Рекомбинативная изменчивость
Причины: кроссинговер, независимое расхождение хромосом в мейозе1 и случайное сочетание гамет при оплодотворении.
Независимое расхождение хромосом
Мутации – это внезапно возникшие стойкие к изменению генетического аппарата, котороые могут возникнуть спонтанно, либо под действием внешних факторов (#радиация)
Первая классификация мутаций была предложена Мюллером в 1932 году. В ее основу положено направление и фенотипическое (F) влияния мутантного аллеля по сравнению с признаками дикого типа (в основе фенотип).
Группы мутаций:
# альбинизм – отсутствие пигмента
# микрофтальмия (маленькие глаза)
# полидактилия, волосатость ушей
# мутации, приводящие в образованию ненормальных белков, гемоглобинопатия.
# нормальная свертываемость крови – гемофилия
1,2,3 – фенотипические
4,5 – изменяют направление действия мутационного аллеля
Наиболее распространенной классификацией мутаций является классификация по типу нарушения генетического материала. В ней все мутации делятся на:
Геномные
А) Автоплоидия – число хромосом увеличено исходному гаплоидному набору (3n, 4n,…)
Б) Аллоплоидия – результат межвидовой гибридизации, когда происходит объединение хромосомных наборов разных видов.
2. анеуплоидии (гетероплоидии) – отклонение в числе отдельных хромосом.
А) Нулисомии – отсутствуют обе хромосомные пары (2n-2). Для человека и животных ЛЕТАЛЬНО!!! Но встречается у растений.
Б) Моносомии – отсутствует 1 хромосома из пары (2n-1)
# Синдром Шершевского-Тернера
В) Трисомии (2n+1) – наличие дополнительной хромосомы у любой из пар.
Г) Полисомии ( больше 3х хромосом)
Все анеуплоидии приводят к нарушению и заканчиваются либо летально, либо рождением детей с хромосомными патологиями.
Хромосомные
Структурные перестройки хромосом, хромосомные оберрации. Изменение структуры хромосом, в результате чего изменяется положение участка хромосом или структура, причем эти участки по размерам превышают или равны размерам гена.
Две точки разрыва. / - фрагмент может остаться палочкой, либо может замкнуться в кольцо и образовать микроядро.
Одна точка разрыва – Дефишенси – утрата концевого участка хромосом.
Образовавшийся фрагмент всегда палочкообразный.
Часто является результатом неравномерного кроссинговера.
3. Инверсии – поворот участка хромосом на 180 ̊
Парацентрическая инверсия – когда в пределах одного плеча. Не изменяется морфология хромосом, обнаруживается по округлости хромосом.
Перецентрическая – когда в инверсии по повороту вовлечены оба плеча. Изменяется морфология хромосом.
Проблема инверсии в том, что когда идет формирование гамет, 1 хромосома нормальная, а 2ая с инверсией.
Эти неравномерные хромосомы могут непрерывно кроссингировать. Поэтому в гаметах либо избыток, либо недостаток генетической информации.
Если перемещать участки повернутые на 180 ̊ , тогда речь идет об инвертированной инсерции.
Транслокации могут быть:
! рецепрокными – когда каждая из вовлеченных в обмен хромосом является и донором, и рецепиентом.
!! нерецепрокные – когда 1 хромосома только донор, а вторая только рецепиент.
!!!симметричные – когда происходит взаимный обмен и остаются 2 моноцентрические хромосомы.
!!!!несимметричные – образуется дицентрическая хромосома и фрагмент.
# в результате радиационного поражения, являются маркёрами.
Генные мутации (точковые)
-мутации происходящие в пределах одного гена.
Замены:
Транзиции и трансверсии приводят к тому, что происходит замена аминокислоты в белке и в зависимости от того, к чему приводит замена, выделяют следующие виды мутаций:
Так например гемаглобинопатия является результатом замены ЦТА – глу На
6
ЦАГ – вал Hs
Дегенеративные мутации возникают в половых клетках или клетках половой значимости
Соматические мутации возникают в соматических клетках, могут быть причиной злокачественных новообразований, вносят свой вклад в процесс старения организма, являются причиной мозаичных форм наследования заболеваний.
Спонтанный мутагенез (самопроизвольный) – мутации, возникающие без видимых причин. Интенсивность мутационного процесса по частоте возникновения мутаций на число гамет (зигот) за одно поколение. По литературным данным частота спонтанных мутаций у человека 1-2 мутации/100000 гамет.
Индуцированные
Механизмы защиты ДНК
В процессе эволюции в клетках возникают систематические, репарирующие (восстановительные) повреждения ДНК. Механизмов репарации ДНК в клетках существует несколько, каждый из них реально определяет фермент. По времени действия механизмы:
1. дорепликативные (в период G1)
2. репликативные (в S период)
3. пострепликативный (в G2 период)
Световая репарация (фотореактивация) открыта Кельнером в 1949г. Сущность состоит в том, что видимый свет с длиной волны 300-400нм активируют фотореактивирующий фермент (ФРФ) – фотолизу, который может расщеплять пиримидиновые димеры, то есть этот механизм устраняют повреждения только одного типа.
ФРФ способен исправить 1 тип повреждения – тиминовые димеры. Биологическая роль этого механизма состоит в защите ДНК клеток от повреждающего действия УФ излучения.
Темновая репарация (эксцезионная)
Этот репарационный механизм работает на разные типы повреждения ДНК и не зависит от видимого света. Обычно в процессе темновой репарации выделяют 4 основных этапа:
Осуществляется мультисубъединицей фермента эндонуклеазой, который имеет несколько активных центров, которые позволяют обнаружить место повреждения и надрезать сахарофосфатный остров.
Осуществляет фермент экзонуклеаза. Он отщепляет поврежденные основания и расщепляет брежь.
3. репаратирующий синтез
Осуществляется ферментом ДНК-полимеразой. Она застраивает брежь, используя комплементарные нуклеотиды для 2ой цепи ДНК.
4. лигирование
Осуществляется ферментом лигазой, который сшивает 3’ и 5’ концы.
5. репликатирование
6. пострепликатирование
Болезни репаративных систем
А) Пигментная ксеродерма (ПК) это клиническое название группы болезней, при которых наблюдается: повышение чувствительности кожи к солнечному свету. Клинически это проявляется покраснением, пигментацией кожи, изъязвлениями, появлением злокачественных новообразований. Определяются нарушением репарационных процессов, в частности имеют место мутации в гене, кодирующим специфическую эндонуклеазу.
Эндонуклеаза – фермент, опознающий и надсекающий поврежденные участки ДНК.
Б) Анемия Франкони это заболевание характеризуется гематологическими аномалиями, повреждаются все ростки костного мозга. У больных отличают коричневую пигментацию, множественные дефекты развития сердца, скелета, ганад. Часто бывают лейкозы. Первым молекулярным дефектом является нарушение синтеза экзонуклеазы – фермента, завершающего вырезание поврежденного участка.
В) Синдром Луи-Барр (атаксия телеангиэктазия). Проявлением этого заболевания является программированная атаксия мозжечка с нарушением координации движений. На коже и сетчатке глаз рецидивирующие пневмонии, часто сопровождается гипоплазией вилочковой железы. Опухоли наблюдаются как у гомо-, так и у гетерозигот. Больные чувствительны к облучению и химическим мутагенам. При радиотерапии наблюдаются осложнения, в некоторых смертельны. Считается, что при синдроме клетки больных диффектны в отношении специфических гамма-лучей эндонуклеазы, узнающей радиопродукты.
Генетика человека