МИНИСТЕРСТВО НА ЗДРАВЕОПАЗВАНЕТО НА РЕПУБЛИКА БЕЛАРУС
БЕЛОРУСКИ ДЪРЖАВЕН МЕДИЦИНСКИ УНИВЕРСИТЕТ
ОТДЕЛЕНИЕ ПО ПАТОЛОГИЧНА ФИЗИОЛОГИЯ
S. A. Zhadan, T. N. Afanasyeva, F. I. Vismont
РОЛЯ НА НАСЛЕДСТВЕНОСТТА В ПАТОЛОГИЯТА
Учебно-методическо ръководство
Минск BSMU 2012
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА НАСЛЕДСТВЕНАТА ПАТОЛОГИЯ
Медицинска генетика и нейните задачи
Наследственост- това е свойството на живите същества и клетките на тялото да предават своите характеристики (анатомични и физиологични характеристики) на потомците. Осигурява относителна стабилност на вида. Материалните носители на наследствената информация са гените – участъци от молекулата на ДНК.
Променливостта е свойство на организма и неговите клетки, проявяващо се в появата на нови характеристики.
IN В момента са известни около 2000 вида наследствени патологии
И генетично обусловени синдроми. Броят им непрекъснато расте и всяка година се описват десетки нови форми на наследствени заболявания.. Основните причини, допринасящи за увеличаването на растежа на наследствената патология, са:
– значителен напредък на медицината в лечението и профилактиката на много инфекциозни заболявания;
– увеличаване на замърсяването на околната среда с мутагенни агенти;
– увеличаване на средната продължителност на човешкия живот.
Заедно с това подобряването на диагностичните методи и напредъкът в молекулярната биология позволяват да се идентифицира генетичната природа на редица сериозни заболявания, които преди това не са били свързани с геномни аномалии (например хромозомни заболявания).
Генетиката е наука за наследствеността и изменчивостта на организма. Клонът на генетиката, който се занимава с изучаването на човешката наследственост и изменчивостта от гледна точка на патологията, се нарича медицинска генетика.
Основните цели на медицинската генетика са:
1. Изследване на наследствени форми на патология, тяхната етиология, патогенеза, подобряване на диагностиката, разработване на методи за профилактика и лечение.
2. Изследване на причините и механизмите на наследствено обусловено предразположение и резистентност към различни (включително инфекциозни заболявания) заболявания.
3. Изучаване на ролята и значението на генетичния апарат в развитието на адаптационните реакции, явленията на компенсация и декомпенсация.
4. Подробно цялостно изследване на процесите на мутагенеза и антимутагенеза, тяхната роля в развитието на заболяванията.
5. Изследване на редица общобиологични проблеми: молекулярно-генетични механизми на канцерогенезата, ролята на генетичния апарат във явленията на тъканна несъвместимост, автоимунни реакции на организма и др.
Концепцията за наследствена и вродена патология. Фенокопия
Понятията „наследствени заболявания“ и „вродени заболявания“ далеч не са еднозначни.
Вродените заболявания са всички заболявания, които се появяват веднага след раждането на детето. Те могат да бъдат наследствени и ненаследствени.
Към номера наследствени заболяваниявключват само тези, базирани на структурни промени в генетичния материал. Някои от тях се проявяват клинично още в първите дни след раждането, други в юношеството, зряла възраст, а понякога и в напреднала възраст.
Ненаследствени заболяванияса причинени от ефекта на неблагоприятни фактори на околната среда върху развиващия се плод по време на бременност и не засягат неговия генетичен апарат.
Фенокопии, причини за тяхното развитие
В медицинската генетика се разграничава друго понятие - фенокопии. Фенокопията е клиничен синдром, който възниква под въздействието на фактори на околната среда по време на ембрионалното развитие, подобен по своите прояви на наследствено заболяване, но имащ негенетичен произход. Например, такива аномалии като "цепнатина на небцето", "цепнатина на устната" могат да бъдат както наследствени (синдром на Патау), така и ненаследствени, в резултат на нарушение на ембрионалното развитие. Хипотиреоидизмът се унаследява като автозомно рецесивен признак, но може да се появи и като фенокопия при хора, живеещи в райони, където пия водабеден на йод. Ранната глухота може да бъде унаследена като рецесивен или доминантен признак или може да се появи като фенокопия при деца, родени от жени, които са имали рубеола по време на бременност.
По този начин фенокопиите са заболявания, които външно са подобни на наследствените заболявания, но не са свързани с промени в генотипа.
Причините за фенокопията могат да бъдат:
– кислородно гладуване на плода (вътрематочна хипоксия), което води до развитие на сериозни дефекти в структурата на мозъка и черепа, микроцефалия;
– ендокринни нарушения в тялото на бременна жена (вероятността от раждане на болно дете при такава жена е приблизително 2,5 пъти по-висока);
– инфекциозни заболявания на бременна жена (токсоплазмоза, рубеола, сифилис и др.), особено в ранния период на бременност, причинявайки в значителен процент от случаите (до 60–70%) тежки деформации (микроцефалия, глухоняма, цепнатина на мекото небце и др.);
– тежък психическа травмаи продължителен емоционален стрес на жената по време на бременност;
– лекарства с цитотоксични или антиметаболитни ефекти;
– хроничен алкохолизъм на родителите (дефекти в развитието при деца на родители, които не пият, са около 2%, при умерени пиячи - до 9%, при тежки пиячи - 74%) и др.
Класификация на болестите, като се вземе предвид връзката на наследствените и екологичните фактори в тяхното развитие. Концепция
О проникновение и изразителност
IN развитието на болестта, както и в живота здраво тяло, участват два основни фактора: влиянието на околната среда
(външен фактор ) и наследственост (вътрешен фактор).
Като се има предвид съотношението на вътрешните и външните фактори в развитието на заболяването, се разграничават следните групи заболявания (Н. П. Бочков, 2002):
1. Всъщност наследствени заболявания. Причината за тези заболявания са аномалии в генетичния апарат на клетката, т.е.мутации (генетични, хромозомни и геномни). Средата определя самопроникване (честота на проявление на анормален ген в популация от индивиди, притежаващи този ген)
И изразителност(степента на изразяване на действието на гена в конкретен индивид). Тази група включва такива моногенно причинени заболявания като алкаптонурия, фенилкетонурия, хепатоцеребрална дистрофия, хемофилия и др., Както и всички хромозомни заболявания.
2. Екогенетични заболявания. Тази група наследствени заболявания се причинява от мутация, чийто ефект се проявява само когато тялото е изложено на определен фактор на околната среда, специфичен за даден мутантен ген. За тези заболявания, както генетични, така и екологични
компонентът е представен еднофакторно: индивидуален ген - специфичен за даден ген фактор на средата. Такива заболявания включват, например, сърповидно-клетъчна анемия (полудоминантно наследствена хемоглобинопатия). При хетерозиготни носители на HbS хемолитичните кризи, водещи до анемия, възникват само при условия на хипоксия или ацидоза. При наследствена ферментопатия, свързана с дефицит на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа, подобна роля може да играе употребата на окислителни лекарства, консумацията на боб и понякога вирусна инфекция.
3. Заболявания с наследствена предразположеност. Те са резултат от взаимодействието на генетични и екологични фактори, като и двата са многобройни. Понякога тези заболявания се наричат многофакторни или многофакторни. Те включват огромен брой заболявания на зряла и напреднала възраст: хипертония, атеросклероза, коронарна болест на сърцето, стомашна язва и 12 пръстен червата, злокачествени новообразувания и др.
Няма ясна разлика между втората и третата група заболявания. Те често се комбинират в една група заболявания с наследствена предразположеност, като се разграничава моногенна и полигенна предразположеност.
4. Болести, причинени от фактори на околната среда, от които тялото няма средства за защита (екстремни). Това са различни наранявания
(механични, електрически), заболявания, възникващи под въздействието на йонизиращо лъчение, изгаряния, измръзване, особено опасни инфекции и др. Генетичният фактор в тези случаи определя само тежестта на заболяването, неговия изход и в някои случаи вероятността от поява .
Класификация на наследствените форми на патология
IN Поради сложния характер на наследствената патология има два основни принципа на нейната класификация: клинични и генетични.
Клиничен принцип на класификация предполага разделяне на наследствени форми на патология в зависимост от органа или системата, участващи най-много в патологичния процес. В съответствие с този критерий се разграничават наследствените заболявания нервна система, заболяваниямускулно-скелетнаапаратура, кожа, кръв и др.
Основата генетична класификацияНаследствените заболявания се основават на етиологичен принцип, а именно вида на мутациите и характера на тяхното взаимодействие с околната среда. В съответствие с този критерий всички наследствени патологии могат да бъдат разделени на групи:
1) генни заболявания,причинени от генни мутации;
2) хромозомни заболявания,в резултат на хромозомни или геномни мутации;
3) заболявания с наследствена предразположеност (многофакторни)
- развиват се при индивиди с подходяща комбинация от „предразполагащи” наследствени и „проявяващи” външни фактори;
4) генетични заболявания на соматичните клетки;
5) заболявания на генетична несъвместимост на майката и плода.
Всяка от тези групи на свой ред се подразделя според по-подробни генетични характеристики и начин на наследяване.
Етиология на наследствени форми на патология. Мутации, техните видове. Концепцията за мутагени
Индивидуалните гени, хромозоми и геномът като цяло непрекъснато претърпяват различни промени. Въпреки факта, че съществуват механизми за ремонт (възстановяване) на ДНК, някои повреди и грешки остават. Промените в последователността и броя на нуклеотидите в ДНК се наричат мутации.
Мутациите са устойчиви, внезапни промени в наследствения апарат на клетката, които не са свързани с обичайната рекомбинация на генетичен материал.
Всички мутации се класифицират по няколко критерия. 1. Поради възникванеторазграничават спонтанни и предизвикани
Спонтанни мутации -Това са мутации, които възникват спонтанно под въздействието на естествени мутагени от екзогенен или ендогенен произход. Причината за такива мутации може да бъде космическа радиация, радиоактивни изотопи, ендогенни химични мутагени (пероксиди и свободни радикали - автомутагени), образувани в организма по време на метаболизма. Възрастта играе важна роля за възникването на спонтанни мутации. При мъжете генните мутации се натрупват в техните зародишни клетки с напредване на възрастта. При жените не е отбелязана зависимостта на генните мутации от възрастта, но е установена ясна връзка между възрастта на майката и честотата на хромозомните заболявания в потомството.
Индуцирани мутации -Това са мутации, причинени от целенасочено въздействие върху организма на фактори от различен произход - физични, химични или биологични мутагени. Разпространението на някои мутагени в човешката среда е представено в приложението. 1.
ДА СЕ физически мутагенивключват йонизиращо лъчение (α-, β- и γ-лъчи, рентгеново лъчение, неутрони) и UV радиация. Особеност йонизиращо лъчениее, че може да предизвика мутации
V ниски дози, които не причиняват радиационни увреждания.
ДА СЕ химически мутагенивключват алкохоли, киселини, тежки метали, соли и други съединения. Химическите мутагени се намират във въздуха (арсен, флуор, сероводород, олово и др.), Почвата (пестициди и др.
химикали), храна, вода. Установено е, че много лекарства имат изразена мутагенна активност (Приложение 2). Много силен мутаген е кондензатът от цигарен дим, който съдържа бензопирен. Кондензацията на дим и повърхностните корички, образувани при пържене на риба и говеждо месо, съдържат триптофанови пиролизати, които са химически мутагени. Особеността на химическите мутагени е, че ефектът им зависи от дозата и етапа на клетъчния цикъл. Колкото по-висока е дозата на мутагена, толкова по-силен е мутагенният ефект.
ДА СЕ биологични мутагенивключват бактериални токсини, морбили, рубеола, грип, херпесни вируси и антигени на определени микроорганизми.
Основните медицински последици от мутагенезата в различни видовеклетките са показани на фиг. 1.
2. Въз основа на вида клетки, в които е настъпила мутацията, се разграничават гаметични, соматични и мозаечни мутации.
Гамови мутациивъзникват в зародишните клетки. Те се наследяват от потомците и обикновено се намират във всички клетки на тялото. Техните последици засягат съдбата на потомството и причиняват наследствени заболявания.
Ориз. 1 . Медицински последици от мутагенезата в различни видове клетки
Соматични мутациивъзникват в соматичните клетки, имат случаен характер и могат да се появят на всеки етап от развитието, като се започне от зиготата. Не се предават по наследство.
Мозаечни мутации- Това са мутации, които възникват в клетките на ембриона или плода. В резултат на това възникват клетъчни линии с различни генотипове. Някои клетки в тялото имат нормален кариотип, докато други имат анормален кариотип. Колкото по-рано в онтогенезата възниква соматична мутация, толкова повече клетки съдържат тази мутация и толкова по-изразени са нейните прояви.
3. Според значението им се разграничават патогенни, неутрални и полезни мутации.
Патогенни мутацииводят до смърт на ембриона (или плода) или до развитие на наследствени и вродени заболявания. Делят се на летални, полулетални, нелетални. Леталността може да настъпи на ниво гамети, зиготи, ембриони, фетуси, а също и след раждането.
Неутрални мутацииобикновено не засягат жизнените функции на тялото (например мутации, които причиняват появата на лунички по кожата, промени в цвета на косата или промяна в ириса).
Благоприятни мутацииповишаване на жизнеспособността на даден организъм или вид (например тъмният цвят на кожата на жителите на африканския континент).
4 . В зависимост от обема на увредения материал мутациите се делят нагенетични (промени в отделните гени),хромозомна (структурни хромозомни аберации),геномна (числови хромозомни аберации).
Антимутагенеза. Механизми на действие на антимутагените
Антимутагенезата е процес на потискане на спонтанни и индуцирани мутации. Веществата с такива свойства се наричат антимутагени. Някои от тях са дадени в приложението. 3.
Има различни принципи за класифициране на антимутагените:
1) по произход: екзогенни и ендогенни, вътреклетъчни и извънклетъчни;
2) механизъм на действие;
3) химична структура и антикарциногенни свойства.
Екзогенните антимутагени включват:
– незаменими аминокиселини (метионин, хистидин, аргинин, глутаминова киселина и др.);
– витамини и провитамини (главно А, Е, С, К);
– полиненаситени мастни киселини;
– микроелементи (Se), кобалтов хлорид;
– хранителни фибри;
2) проникване в тялото по дихателен път (фитонциди);
3) влизащи в човешкото тяло през устата по време на фармакотерапия или профилактична употреба:
– лекарства (стрептомицин, хлорамфеникол и др., използвани при малки
– специално синтезирани лекарства (бемитил);
– биологично активни добавки(индол-3-карбинол и др.);
– синтетични антимутагени (йонол, дибунол и др.).
Ендогенните антимутагени включват:
1) увредена система за възстановяване на ДНК;
2) антиоксидантна система;
3) ензимни системи;
4) клетъчни метаболити;
5) хормони на щитовидната жлеза, мелатонин;
6) ембрионални вещества (Co);
7) S-съдържащи съединения (глутатион).
Механизми на действие на антимутагените
Основните механизми на действие на антимутагените включват:
1. Инактивиране на мутагени от външен произход и защита на ДНК от техните увреждащи ефекти(дисмутагени). В повечето случаи дисмутагените стабилно се свързват с мутагена и го отстраняват от тялото (екстракти от магданоз, цвекло, репички, целина, сливи, боровинки, ябълки).
2. Потискане на процеса на образуване на истински мутагени от предишни немутагенни вещества(витамини С, Е, танини,
някои феноли).
3. Потиска активността на свободните радикали, които могат да увредят ДНК(антиоксиданти: супероксид дисмутаза, глутатион пероксидаза, каталаза, витамин С, А,α-токоферол, β-каротин, E, мелатонин и др.).
4. Повишава активността на ензимните системи, които неутрализират мутагени, канцерогени и други генотоксични съединения. Универсалният механизъм за инактивиране на ксенобиотиците се осигурява от микрозомални чернодробни ензими, които метаболизират до 75% от всички лекарства.
5. Антимутагени, които намаляват грешките при възстановяването и репликацията на ДНК,
активиране и коригиране на възстановяването (репарагени) . Към репарациите
Антимутагените, открити в някои храни (например царевично, памучно, слънчогледово, соево и други растителни масла), включват:
– ванилин, цианамалдехид и други алдехиди, образувани при окисляването на наситени мастни киселини. Тези вещества стимулират генетичната рекомбинация, временно инхибират клетъчното делене, увеличавайки времето за възстановяване на ДНК;
– кобалтови соли, които повишават ефективността на безпогрешното възстановяване на ДНК (съдържат се в достатъчни количества в лук, зеле, домати, марули, картофи, касис и круши).
6. Антимутагени с неизвестен механизъм на действие.IN последните годиниУстановена е полифункционалност за някои антимутагени (фенолният компонент на зеления чай - епигалокатехин галат, изоцианати от кръстоцветни зеленчуци - сулфоран и фенолен изоцианат и др.). Антимутагените действат като ловци на свободни радикали, потискат синтеза на метаболитно активиране на ксенобиотици и стимулират тяхната детоксикация, модулират възстановяването на ДНК, влияят върху транскрипционните фактори и сигналните пътища, участващи в апоптозата и регулирането на клетъчния цикъл, потискат възпалението и ангиогенезата.
По този начин основните антимутагени включват:
1) съединения, които неутрализират мутагена, преди той да реагира с молекулата
2) вещества, които премахват увреждането на ДНК молекулата, причинено от мутаген или повишават устойчивостта му към мутаген;
3) съединения, които пречат на тялото да преобразува индиректните мутагени в истински.
ГЕННИ БОЛЕСТИ
Генните заболявания са група заболявания, разнородни по клинични прояви, причинени от мутации на генно ниво. Основата за обединяването им в една група са етиологичните генетични характеристики и съответно моделите на наследяване в семействата и популациите.
Етиология на генните заболявания
Причините за генните заболявания са генни мутации, които могат да засегнат структурни, транспортниИ ембрионални протеиникакто и ензими.
Генните мутации са молекулярни промени в структурата на ДНК. Те са причинени от промени химическа структураген, а именно специфичен
Променливостта е процес, който отразява връзката на организма с неговата среда.
От генетична гледна точка изменчивостта е резултат от реакцията на генотипа в процеса индивидуално развитиеорганизма към условията на околната среда.
Изменчивост на организмитее един от основните фактори на еволюцията. Той служи като източник за изкуствен и естествен подбор.
Биолозите разграничават наследствена и ненаследствена изменчивост. Наследствената изменчивост включва такива промени в характеристиките на организма, които се определят от генотипа и се запазват в продължение на няколко поколения. Към ненаследствената изменчивост, която Дарвин нарече определена и сега се нарича модификация, или фенотипна променливост, се отнася до промени в характеристиките на даден организъм; не се запазва по време на половото размножаване.
Наследствена изменчивостпредставлява промяна в генотипа, ненаследствена изменчивост - промяна във фенотипа на организма.
По време на индивидуалния живот на организма, под въздействието на факторите на околната среда, в него могат да настъпят два вида промени: в единия случай функционирането и действието на гените се променя в процеса на формиране на характера, а в другия - самият генотип .
Запознахме се с наследствените вариации, които са резултат от комбинации от гени и техните взаимодействия. Комбинацията от гени се извършва на базата на два процеса: 1) независимо разпределение на хромозомите в мейозата и тяхната случайна комбинация по време на оплождането; 2) кръстосване на хромозоми и генна рекомбинация. Обикновено се нарича наследствена изменчивост, причинена от комбинацията и рекомбинацията на гени комбинирана изменчивост. При този тип променливост самите гени не се променят, но се променя тяхната комбинация и естеството на взаимодействие в генотипната система. Въпреки това, този тип наследствена променливост трябва да се разглежда като вторичен феномен, а мутационната промяна в гена трябва да се счита за първична.
Източник за естествен подборса наследствени изменения - както генни мутации, така и техните рекомбинации.
Променливостта на модификациите играе ограничена роля в органичната еволюция. Така че, ако вземете вегетативни издънки от едно и също растение, например ягоди, и ги отглеждате при различни условия на влажност, температура, светлина, на различни почви, тогава въпреки същия генотип, те ще се окажат различни. Действието на различни екстремни фактори може да доведе до още по-големи различия в тях. Но семената, събрани от такива растения и засети при същите условия, ще дадат потомство от същия тип, ако не в първото, то в следващите поколения. Промените в характеристиките на организма, причинени от действието на факторите на околната среда в онтогенезата, изчезват със смъртта на организма.
В същото време способността за такива промени, ограничена от границите на нормата на реакция на генотипа на организма, има важно еволюционно значение. Както показа А. П. Владимирски през 20-те години, В. С. Кирпичников и И. И. Шмалгаузен през 30-те години, в случай, че промените на модификациите с адаптивно значение възникват, когато факторите на околната среда постоянно действат в редица поколения, които са способни да причинят мутации, които определят същите промени , което може да създаде впечатление за наследствена консолидация на модификации.
Мутационните промени задължително са свързани с реорганизацията на репродуктивните структури на зародишните и соматичните клетки. Основната разлика между мутациите и модификациите е, че мутациите могат да бъдат точно възпроизведени в дълга поредица от клетъчни поколения, независимо от условията на околната среда, в които протича онтогенезата. Това се обяснява с факта, че появата на мутации е свързана с промени в уникалните структури на клетката - хромозомата.
Имаше дълга дискусия в биологията за ролята на променливостта в еволюцията във връзка с проблема за наследяването на така наречените придобити признаци, поставени от Дж. Ламарк през 1809 г., частично приети от Чарлз Дарвин и все още поддържани от редица биолози . Но по-голямата част от учените смятаха самата формулировка на този проблем за ненаучна. В същото време трябва да се каже, че идеята, че наследствените промени в тялото възникват адекватно на действието на фактор на околната среда, е напълно абсурдна. Мутациите възникват в различни посоки; те не могат да бъдат адаптивни за самия организъм, тъй като възникват в единични клетки
И ефектът им се реализира само в потомството. Не факторът, причинил мутацията, а само селекцията оценява адаптивното знание за мутацията. Тъй като посоката и темпото на еволюцията се определят от естествения подбор, а последният се контролира от много фактори на вътрешната и външната среда, се създава погрешна представа за първоначалната адекватна целесъобразност на наследствената променливост.
Селекцията на базата на единични мутации "конструира" системи от генотипове, които отговарят на изискванията на постоянно действащите условия, в които съществува видът.
Терминът " мутация"е предложен за първи път от G. de Vries в неговия класически труд "Теория на мутациите" (1901 -1903). Той нарече мутация феномена на спазматична, прекъсната промяна наследствена черта. Основните положения на теорията на де Врис все още не са загубили своето значение и затова трябва да бъдат дадени тук:
- мутацията възниква внезапно, без никакви преходи;
- новите форми са напълно постоянни, тоест стабилни;
- мутациите, за разлика от ненаследствените промени (флуктуации), не образуват непрекъснати серии и не се групират около среден тип (режим). Мутациите са качествени промени;
- мутациите вървят в различни посоки, те могат да бъдат както полезни, така и вредни;
- откриването на мутации зависи от броя на индивидите, анализирани за откриване на мутации;
- същите мутации могат да се появят многократно.
Въпреки това Г. де Врис направи фундаментална грешка, противопоставяйки теорията за мутациите на теорията за естествения отбор. Той неправилно вярваше, че мутациите могат незабавно да доведат до нови видове, адаптирани към външната среда, без участието на селекция. Всъщност мутациите са само източник на наследствени промени, които служат като материал за селекция. Както ще видим по-късно, генната мутация се оценява чрез селекция само в системата на генотипа. Грешката на G. de Vries се дължи отчасти на факта, че мутациите, които той изучава при вечерна иглика (Oenothera Lamarciana), впоследствие се оказват резултат от разделяне на сложен хибрид.
Но човек не може да не се възхищава на научното предвиждане, което Г. де Врис направи по отношение на формулирането на основните положения на теорията на мутациите и нейното значение за селекцията. Още през 1901 г. той пише: „... мутацията, самата мутация, трябва да стане обект на изследване. И ако някога успеем да изясним законите на мутацията, тогава не само нашият възглед за взаимното родство на живите организми ще стане много по-дълбок, но също така се осмеляваме да се надяваме, че ще стане възможно да овладеем изменчивостта, както и промяната на господарите на размножителя и променливост. Разбира се, ние ще стигнем до това постепенно, овладявайки отделни мутации, и това също ще донесе много ползи за земеделската и градинарската практика. Много неща, които сега изглеждат непостижими, ще бъдат по силите ни, само ако успеем да разберем законите, на които се основава мутацията на видовете. Очевидно тук ни очаква обширно поле за упорита работа с голямо значение както за науката, така и за практиката. Това е обещаваща област за контрол на мутациите." Както ще видим по-късно, съвременната естествена наука е на прага на разбирането на механизма на генната мутация.
Теорията за мутациите може да се развие едва след откриването на законите на Мендел и моделите на свързване на гени и тяхната рекомбинация в резултат на кръстосване, установени в експериментите на школата на Морган. Едва след установяването на наследствената дискретност на хромозомите, теорията за мутациите получи основа за научни изследвания.
Въпреки че понастоящем въпросът за природата на гена не е напълно изяснен, редица общи модели на генна мутация все пак са твърдо установени.
Генни мутации се срещат във всички класове и видове животни, висши и низши растения, многоклетъчни и едноклетъчни организми, бактерии и вируси. Мутационната изменчивост като процес на качествени резки промени е универсална за всички органични форми.
Чисто конвенционалният мутационен процес се разделя на спонтанен и индуциран. В случаите, когато мутациите възникват под въздействието на обикновени природни фактори на околната среда или в резултат на физиологични и биохимични промени в самия организъм, те се класифицират като спонтанни мутации. Наричат се мутации, които възникват под въздействието на специални въздействия (йонизиращо лъчение, химикали, екстремни условия и др.). индуциран. Няма фундаментални разлики между спонтанните и предизвиканите мутации, но изследването на последните води биолозите до овладяване на наследствената изменчивост и разкриване на мистерията на гена.
Ако намерите грешка, моля, маркирайте част от текста и щракнете Ctrl+Enter.
В нашата статия ще говорим за уникалното свойство на всички живи организми, което осигури появата на огромен брой видове живи същества. Това е наследствена вариация. Какво е това, какви са неговите характеристики и механизъм на изпълнение? Сега ще намерите отговори на тези и много други въпроси.
Какво изучава генетиката?
Сравнително младата наука генетика през 19-ти век разкрива на човечеството много тайни за своя произход и развитие. И предмет на неговото изследване са само две свойства на живите организми: наследственост и променливост. Благодарение на първото се осигурява непрекъснатост на поколенията и се извършва точно предаване генетична информацияпрез цяла поредица от поколения. Но променливостта осигурява появата на нови характеристики.
Стойност на променливостта
Защо тялото придобива тези нови характеристики? Отговорът е съвсем прост: за възможността за адаптация. На снимката по-долу виждате представители на няколко раси от една и съща биологични видове- Разумен човек. Техните морфологични различия на този етап естествено нямат адаптивно значение. Но техните далечни предци имаха нови функции, които им помогнаха да оцелеят в трудни условия. По този начин представителите на монголоидната раса имат тясна форма на очите, тъй като в степите често имаше прашни бури. И негроидите имат тъмна кожа като защита от парещите лъчи на слънцето.
Видове променливост
Изменчивостта е свойството на организмите да придобиват нови характеристики в процеса на своето историческо и индивидуално развитие. Предлага се в два вида. Това е модификация и наследствена изменчивост. Те са обединени от редица характеристики. Например, промените неизбежно настъпват в външна структураорганизми. Но по отношение на продължителността на съществуване на модификациите и степента на действие те са напълно различни.
Променливост на модификацията
Този тип променливост не е наследствен. Той не е фиксиран в генотипа, не е постоянен и възниква под влияние на промените в условията на околната среда. Ярък пример за модификационна променливост е добре познатият експеримент със заек. Малка част от сивата му козина беше обръсната. И ледът беше нанесен върху голата кожа. След известно време на това място израсна вълна бяло, който също беше обръснат. Но в този случай не е приложен лед. В резултат на това тъмната коса порасна отново в тази област.
Наследствена изменчивост
Този тип променливост е постоянен, тъй като засяга структурата на генотипа до нивото на ДНК нуклеотидите. В този случай нови характеристики се предават на нови поколения. Наследствената променливост от своя страна също бива два вида: комбинирана и мутационна. Първият възниква, когато се появи нова комбинация от генетичен материал. Най-простият му пример е сливането на гамети по време на половото размножаване. В резултат на това тялото, получавайки половината от генетичната информация от мъжкия и женския организъм, придобива нови характеристики.
Вторият тип е мутационна наследствена изменчивост. Състои се в появата на резки ненасочени промени в генотипа под въздействието на различни фактори. Те могат да бъдат йонизиращи и ултравиолетови лъчения, високотемпературни, азотсъдържащи химически веществаи други.
В зависимост от нивото на структура на генетичния апарат, в който настъпват промените, се разграничават няколко вида такива наследствени модификации. При генома броят на хромозомите в общия набор се променя. Това води до анатомични и морфологични промени в тялото. Така появата на третата хромозома в 21-вата двойка причинява синдрома на Даун. При хромозомни мутации настъпва преструктуриране на тази структура. Те са много по-рядко срещани от геномните. Части от хромозомите могат да бъдат дублирани или липсващи, усукани или да променят позицията си. Но генните мутации, наричани още точкови мутации, нарушават последователността на мономерите в структурата на нуклеиновите киселини.
Независимо от вида на мутацията, всички те, като правило, не носят полезни характеристики за тялото. Следователно човек се научава да ги контролира изкуствено. По този начин при селекцията често се използва полиплоидия - многократно увеличаване на броя на хромозомите в набор. В резултат на това растението става по-мощно и дава големи плодове големи количества. Няма да изненадате никого със смокинови праскови и други вкусни растителни хибриди. Но те са резултат от изкуствено въведена наследствена изменчивост.
Наследствена изменчивост в процеса на еволюцията
Развитието на генетиката помогна да се направи значителна крачка напред в развитието на еволюционното учение. Фактът, че хората и маймуните се различават само по една двойка хромозоми, стана важно доказателство за теорията на Дарвин. В растенията и животните историческо развитиевъзможно е да се проследи наследяването на прогресивни черти, които са били предадени и фиксирани в генотипа. Например, водораслите достигнаха сушата поради факта, че наличието на механични и проводими тъкани беше фиксирано в генотипа. Всяко следващо поколение запазва за себе си само необходимите, полезни качества, които се коригират в зависимост от условията на живот и околната среда. Така се появяват доминиращите видове растения и животни, притежаващи най-прогресивни структурни характеристики.
И така, наследствената променливост е способността на организмите да придобиват нови характеристики, които са фиксирани в генотипа. Такива промени са дълготрайни, не изчезват при промяна на условията на околната среда и се предават по наследство.
Променливосте универсално свойство на живите системи, свързано с промени във фенотипа и генотипа, които възникват под въздействието на външната среда или в резултат на промени в наследствения материал. Различават се ненаследствена и наследствена изменчивост.
Ненаследствена изменчивост. Ненаследствени или групови (определени), или модификационна променливост– това са промени във фенотипа под влияние на условията на околната среда. Модификационната променливост не засяга генотипа на индивидите. Генотипът, оставайки непроменен, определя границите, в които фенотипът може да се променя. Тези граници, т.е. възможности за фенотипно проявление на даден признак се наричат норма на реакция И са наследени. Нормата на реакцията определя границите, в които дадена характеристика може да се промени. Различните знаци имат различни норми на реакция - широки или тесни. Например признаци като кръвна група и цвят на очите не се променят. Формата на окото на бозайниците варира леко и има тясна скорост на реакция. Млечността на кравите може да варира в доста широк диапазон в зависимост от условията, при които се отглежда породата. Други количествени характеристики също могат да имат широка скорост на реакция - растеж, размер на листата, брой зърна в кочана и др. Колкото по-широка е нормата на реакция, толкова повече възможности има индивидът да се адаптира към условията на околната среда. Ето защо има повече индивиди със средно изразена черта, отколкото индивиди с екстремни изрази. Това е добре илюстрирано от броя на джуджетата и гигантите при хората. Те са малко, докато хората с ръст от порядъка на 160-180 см са хиляди пъти повече.
Фенотипните прояви на черта се влияят от комбинираното взаимодействие на гени и условия на околната среда. Модификационните промени не се наследяват, но не са непременно групови и не винаги се появяват при всички индивиди от един вид при еднакви условия на околната среда. Модификациите осигуряват адаптирането на индивида към тези условия.
Наследствена изменчивост(комбинативни, мутационни, неопределени).
Комбинативна изменчивоствъзниква по време на половия процес в резултат на нови комбинации от гени, които възникват при оплождане, кросинговър, конюгация, т.е. по време на процеси, придружени от рекомбинации (преразпределение и нови комбинации) на гени. В резултат на комбинираната изменчивост възникват организми, които се различават от своите родители по генотипове и фенотипове. Някои комбинационни промени могат да бъдат вредни за индивида. За видовете комбинираните промени като цяло са полезни, т.к водят до генотипно и фенотипно разнообразие. Това насърчава оцеляването на видовете и техния еволюционен напредък.
Мутационна изменчивостсвързани с промени в последователността на нуклеотидите в ДНК молекулите, загуба и вмъкване на големи участъци в ДНК молекули, промени в броя на ДНК молекулите (хромозоми). Самите такива промени се наричат мутации. Мутациите се предават по наследство.
Сред мутациите са:
– генетични– причиняване на промени в последователността на ДНК нуклеотидите в специфичен ген и следователно в иРНК и протеина, кодиран от този ген. Генните мутации могат да бъдат доминантни или рецесивни. Те могат да доведат до появата на признаци, които поддържат или потискат жизнените функции на тялото;
– генеративенмутациите засягат зародишните клетки и се предават по време на половото размножаване;
– соматичнимутациите не засягат зародишните клетки и не се предават по наследство при животните, но при растенията се наследяват по време на вегетативното размножаване;
– геномнамутациите (полиплоидия и хетероплоидия) са свързани с промени в броя на хромозомите в кариотипа на клетките;
– хромозомнамутациите са свързани с пренареждане на структурата на хромозомите, промени в позицията на техните участъци в резултат на прекъсвания, загуба на отделни участъци и др.
Най-честите генни мутации са тези, които водят до промяна, загуба или вмъкване на ДНК нуклеотиди в ген. Мутантните гени предават различна информация на мястото на протеиновия синтез, а това от своя страна води до синтеза на други протеини и появата на нови характеристики. Мутациите могат да възникнат под въздействието на радиация, ултравиолетова радиация и различни химически агенти. Не всички мутации са ефективни. Някои от тях се коригират по време на възстановяването на ДНК. Фенотипно мутациите се появяват, ако не водят до смъртта на организма. Повечето генни мутации са рецесивни. Фенотипно проявените мутации имат еволюционно значение, осигурявайки на индивидите или предимства в борбата за съществуване, или, обратно, водят до смъртта им под натиска на естествения подбор.
Процесът на мутация увеличава генетичното разнообразие на популациите, което създава предпоставки за еволюционния процес.
Честотата на мутациите може да се увеличи изкуствено, което се използва за научни и практически цели.
Променливосте универсално свойство на живите системи, свързано с промени във фенотипа и генотипа, които възникват под въздействието на външната среда или в резултат на промени в наследствения материал. Различават се ненаследствена и наследствена изменчивост.
Ненаследствена изменчивост. Ненаследствени или групови (определени), или модификационна променливост– това са промени във фенотипа под влияние на условията на околната среда. Модификационната променливост не засяга генотипа на индивидите. Генотипът, оставайки непроменен, определя границите, в които фенотипът може да се променя. Тези граници, т.е. възможности за фенотипно проявление на даден признак се наричат норма на реакция И са наследени. Нормата на реакцията определя границите, в които дадена характеристика може да се промени. Различните знаци имат различни норми на реакция - широки или тесни. Например признаци като кръвна група и цвят на очите не се променят. Формата на окото на бозайниците варира леко и има тясна скорост на реакция. Млечността на кравите може да варира в доста широк диапазон в зависимост от условията, при които се отглежда породата. Други количествени характеристики също могат да имат широка скорост на реакция - растеж, размер на листата, брой зърна в кочана и др. Колкото по-широка е нормата на реакция, толкова повече възможности има индивидът да се адаптира към условията на околната среда. Ето защо има повече индивиди със средно изразена черта, отколкото индивиди с екстремни изрази. Това е добре илюстрирано от броя на джуджетата и гигантите при хората. Те са малко, докато хората с ръст от порядъка на 160-180 см са хиляди пъти повече.
Фенотипните прояви на черта се влияят от комбинираното взаимодействие на гени и условия на околната среда. Модификационните промени не се наследяват, но не са непременно групови и не винаги се появяват при всички индивиди от един вид при еднакви условия на околната среда. Модификациите осигуряват адаптирането на индивида към тези условия.
Наследствена изменчивост(комбинативни, мутационни, неопределени).
Комбинативна изменчивоствъзниква по време на половия процес в резултат на нови комбинации от гени, които възникват при оплождане, кросинговър, конюгация, т.е. по време на процеси, придружени от рекомбинации (преразпределение и нови комбинации) на гени. В резултат на комбинираната изменчивост възникват организми, които се различават от своите родители по генотипове и фенотипове. Някои комбинационни промени могат да бъдат вредни за индивида. За видовете комбинираните промени като цяло са полезни, т.к водят до генотипно и фенотипно разнообразие. Това насърчава оцеляването на видовете и техния еволюционен напредък.
Мутационна изменчивостсвързани с промени в последователността на нуклеотидите в ДНК молекулите, загуба и вмъкване на големи участъци в ДНК молекули, промени в броя на ДНК молекулите (хромозоми). Самите такива промени се наричат мутации. Мутациите се предават по наследство.
Сред мутациите са:
– генетични– причиняване на промени в последователността на ДНК нуклеотидите в специфичен ген и следователно в иРНК и протеина, кодиран от този ген. Генните мутации могат да бъдат доминантни или рецесивни. Те могат да доведат до появата на признаци, които поддържат или потискат жизнените функции на тялото;
– генеративенмутациите засягат зародишните клетки и се предават по време на половото размножаване;
– соматичнимутациите не засягат зародишните клетки и не се предават по наследство при животните, но при растенията се наследяват по време на вегетативното размножаване;
– геномнамутациите (полиплоидия и хетероплоидия) са свързани с промени в броя на хромозомите в кариотипа на клетките;
– хромозомнамутациите са свързани с пренареждане на структурата на хромозомите, промени в позицията на техните участъци в резултат на прекъсвания, загуба на отделни участъци и др.
Най-честите генни мутации са тези, които водят до промяна, загуба или вмъкване на ДНК нуклеотиди в ген. Мутантните гени предават различна информация на мястото на протеиновия синтез, а това от своя страна води до синтеза на други протеини и появата на нови характеристики. Мутациите могат да възникнат под въздействието на радиация, ултравиолетова радиация и различни химически агенти. Не всички мутации са ефективни. Някои от тях се коригират по време на възстановяването на ДНК. Фенотипно мутациите се появяват, ако не водят до смъртта на организма. Повечето генни мутации са рецесивни. Фенотипно проявените мутации имат еволюционно значение, осигурявайки на индивидите или предимства в борбата за съществуване, или, обратно, водят до смъртта им под натиска на естествения подбор.
Процесът на мутация увеличава генетичното разнообразие на популациите, което създава предпоставки за еволюционния процес.
Честотата на мутациите може да се увеличи изкуствено, което се използва за научни и практически цели.
ПРИМЕРИ ЗА ЗАДАЧИ
Част А
A1. Модификационната променливост се разбира като
1) фенотипна променливост
2) генотипна изменчивост
3) норма на реакция
4) всякакви промени в характеристиката
A2. Посочете характеристиката с най-широка норма на реакция
1) формата на крилете на лястовичка
2) форма на орлов клюн
3) време за линеене на заека
4) количеството вълна на овцата
A3. Моля, посочете правилното твърдение
1) факторите на околната среда не влияят на генотипа на индивида
2) не се наследява фенотипът, а способността да се прояви
3) промените в модификацията винаги се наследяват
4) промените в модификацията са вредни
A4. Дайте пример за геномна мутация
1) появата на сърповидно-клетъчна анемия
2) появата на триплоидни форми на картофи
3) създаване на порода кучета без опашка
4) раждане на тигър албинос
A5. Промените в последователността на ДНК нуклеотидите в гена са свързани
1) генни мутации
2) хромозомни мутации
3) геномни мутации
4) комбинирани пренареждания
A6. Рязкото увеличение на процента на хетерозиготите в популацията на хлебарки може да бъде резултат от:
1) увеличаване на броя на генните мутации
2) образуването на диплоидни гамети в редица индивиди
3) хромозомни пренареждания в някои членове на популацията
4) промяна в температурата на околната среда
A7. Пример за това е ускореното стареене на кожата при жителите на селата в сравнение с жителите на градовете
2) комбинационна изменчивост
3) генни мутации под въздействието на ултравиолетова радиация
4) модификационна променливост
A8. Основната причина за хромозомна мутация може да бъде
1) нуклеотидна замяна в ген
2) промяна в температурата на околната среда
3) нарушаване на процесите на мейоза
4) вмъкване на нуклеотид в ген
Част Б
В 1. Какви примери илюстрират променливостта на модификацията?
1) човешки тен
2) белег по кожата
3) дебелината на козината на заек от същата порода
4) увеличаване на млечността при кравите
5) хора с шест пръста
6) хемофилия
НА 2. Посочете събития, свързани с мутации
1) многократно увеличаване на броя на хромозомите
2) смяна на подкосъм на заек през зимата
3) заместване на аминокиселина в протеинова молекула
4) появата на албинос в семейството
5) растеж на кореновата система на кактус
6) образуване на кисти в протозои
VZ. Свържете характеристиката, характеризираща променливостта, с нейния тип
Част В
C1. По какви начини може да се постигне изкуствено увеличаване на честотата на мутациите и защо трябва да се прави това?
C2. Намерете грешки в дадения текст. Поправи ги. Посочете номерата на изреченията, в които са допуснати грешки. Обяснете ги.
1. Модификационната променливост е придружена от генотипни промени. 2. Примери за модификация са изсветляване на косата след дълго излагане на слънце, повишаване на млечността на крави с подобрено хранене. 3. Информацията за модификационните промени се съдържа в гените. 4. Всички промени в модификацията се наследяват. 5. Проявата на модификационните промени се влияе от факторите на околната среда. 6. Всички признаци на един организъм се характеризират със същата норма на реакция, т.е. границите на тяхната променливост.
Вредното въздействие на мутагени, алкохол, наркотици, никотин върху генетичния апарат на клетката. Опазване на околната среда от замърсяване с мутагени. Идентифициране на източници на мутагени в заобикаляща среда(косвено) и оценка възможни последствиятяхното влияние върху собственото им тяло. Наследствени заболявания на човека, техните причини, профилактика
Основни термини и понятия, проверявани в изпитната работа: биохимичен метод, метод на близнаците, хемофилия, хетероплоидия, цветна слепота, мутагени, мутагенеза, полиплоидия.
