МИНИСТЕРСТВО НА ЗДРАВЕОПАЗВАНЕТО НА РЕПУБЛИКА БЕЛАРУС
БЕЛОРУСКИ ДЪРЖАВЕН МЕДИЦИНСКИ УНИВЕРСИТЕТ
КАТЕДРА ПО ПАТОЛОГИЧНА ФИЗИОЛОГИЯ
С. А. Жадан, Т. Н. Афанасьева, Ф. И. Висмонт
РОЛЯТА НА НАСЛЕДСТВЕНОСТТА В ПАТОЛОГИЯТА
Учебно помагало
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 особености) на своите потомци. Той осигурява относителната стабилност на вида. Материалните носители на наследствена информация са гените – участъци от молекулата на ДНК.
Променливостта е свойство на организма и неговите клетки, проявяващо се в появата на нови признаци.
AT В момента са известни около 2000 вида наследствена патология.
и генетично детерминирани синдроми. Броят им непрекъснато нараства, годишно се описват десетки нови форми на наследствени заболявания.. Основните причини, допринасящи за увеличаването на растежа на наследствената патология, са:
– значителен напредък в медицината в лечението и профилактиката на много инфекциозни заболявания;
– увеличаване на замърсяването на околната среда с мутагенни агенти;
- увеличаване на средната продължителност на живота на човек.
Наред с това, усъвършенстването на диагностичните методи и напредъкът в молекулярната биология позволяват да се разкрие генетичната природа на редица сериозни заболявания, които преди това не са били свързани с аномалии на генома (например хромозомни заболявания).
Генетиката е наука за наследствеността и вариациите в организма. Разделът на генетиката, който изучава наследствеността и вариабилността на човек от гледна точка на патологията, се нарича медицинска генетика.
Основните задачи на медицинската генетика са:
1. Изучаване на наследствени форми на патология, тяхната етиология, патогенеза, подобряване на диагностиката, разработване на методи за превенция и лечение.
2. Изследване на причините и механизмите на наследствена предразположеност и устойчивост към различни (включително инфекциозни) заболявания.
3. Изследване на ролята и значението на генетичния апарат в развитието на адаптационни реакции, компенсационни и декомпенсационни явления.
4. Подробно цялостно изследване на процесите на мутагенеза и антимутагенеза, тяхната роля в развитието на заболявания.
5. Изучаването на редица общобиологични проблеми: молекулярно-генетични механизми на канцерогенезата, ролята на генетичния апарат в явленията на тъканна несъвместимост, автоимунни реакции на организма и др.
Концепцията за наследствена и вродена патология. Фенокопии
Понятията "наследствени заболявания" и "вродени заболявания" далеч не са еднозначни.
Вродено се отнася до всяко заболяване, което се появява веднага след раждането на дете. Те могат да бъдат наследствени или ненаследствени.
Към номера наследствени заболяваниявключват само тези, основани на структурни промени в генетичния материал. Някои от тях се проявяват клинично още в първите дни след раждането, други - в млада, зряла, а понякога и в напреднала възраст.
Ненаследствени заболяванияса причинени от действието на неблагоприятни фактори на околната среда върху развиващия се плод по време на бременност и не засягат генетичния му апарат.
Фенокопии, причините за тяхното развитие
В медицинската генетика се разграничава друго понятие - фенокопии. Фенокопията е клиничен синдром, който възниква под въздействието на фактори на околната среда през периода на ембрионално развитие, подобен по своите прояви на наследствено заболяване, но с негенетичен характер на възникване. Например, такива аномалии като „цепка на небцето“, „цепка 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 питейната вода е бедна на йод. Ранната глухота може да бъде наследена като рецесивна или доминантна черта и може да се появи като фенокопия при деца, родени от жени, които са имали рубеола по време на бременност.
По този начин фенокопията са заболявания, които външно са подобни на наследствените заболявания, но не са свързани с промяна 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 да има болно дете при такава жена е около 2,5 пъти по-висока);
– инфекциозни заболявания на бременна жена (токсоплазмоза, рубеола, сифилис и др.), особено в ранния период на бременността, причинявайки значителен процент от случаите (до 60-70%) тежки деформации (микроцефалия, глухомутизъм, цепнатина на небцето и др.);
– тежък психическа травмаи продължително емоционално пренапрежение на жена по време на бременност;
– лекарства, които имат цитотоксичен или антиметаболичен ефект;
– хроничен алкохолизъм на родителите (малформациите при деца на непиещи родители са около 2%, при умерено пиещи - до 9%, при силно пиещи - 74%) и др.
Класификация на заболяванията, като се вземе предвид връзката между наследствените и екологичните фактори в тяхното развитие. концепция
относно проникновение и изразителност
AT развитието на болестта, както и в живота здраво тяло, участват два основни фактора: въздействието на външната среда
(външен фактор ) и наследственост (вътрешен фактор).
Като се вземе 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). Околната среда само определяпенетрантност (честота на проява на анормален ген в популация от индивиди с този ген)
и изразителност(степента на изразяване на действието на гена в конкретен индивид). Тази група включва такива моногенни 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 този мутантен ген. За тези заболявания, както генетични, така и екологични
компонентът е представен от един фактор: отделният ген е фактор на околната среда, специфичен за този ген. Такива заболявания включват, например, сърповидно-клетъчна анемия (полу-доминантни наследствени хемоглобинопатии). При хетерозиготни носители на HbS хемолитични кризи, водещи до анемия, възникват само в условия на хипоксия или ацидоза. При наследствена ферментопатия, свързана с дефицит на глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа, употребата на окислителни лекарства, употребата на фава боб, а понякога и вирусна инфекция може да играе подобна роля.
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 по-голямата част от заболяванията в зряла и напреднала възраст: хипертония, атеросклероза, коронарна болест на сърцето, стомашна язва и 12 дванадесетопръстника черва, злокачествени новообразувания и др.
Няма ясна разлика между втората и третата група заболявания. Често се обединяват в една група заболявания с наследствена предразположеност, като се прави разлика между моногенна и полигенна предразположеност.
4. Болести, причинени от фактори на околната среда, от чието действие организмът няма средства за защита (екстремни). Това са различни наранявания.
(механични, електрически), заболявания, възникващи под въздействието на йонизиращи лъчения, изгаряния, измръзване, особено опасни инфекции и др. В тези случаи генетичният фактор определя само тежестта на заболяването, неговия изход, а в някои случаи и вероятността от възникване.
Класификация на наследствените форми на патология
AT Поради сложния характер на наследствената патология има два основни принципа за нейната класификация: клиничен и генетичен.
Принцип на клинична класификация предполага разделяне на наследствените форми на патология в зависимост от органа или системата, които са най-замесени в патологичния процес. В съответствие с този критерий се разграничават наследствените заболявания нервна система, болестимускулно-скелетнаапарат, кожа, кръв и др.
Основата генетична класификациянаследствените заболявания се основават на етиологичния принцип, а именно вида на мутациите и естеството на взаимодействието им с околната среда. В съответствие с този критерий цялата наследствена патология може да бъде разделена на групи:
1) генни заболявания,причинени от генни мутации;
2) хромозомни заболявания,в резултат на хромозомни или геномни мутации;
3) заболявания с наследствена предразположеност (многофакторна)
- 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 между майката и плода.
Всяка от тези групи от своя страна се подразделя според по-подробни генетични характеристики и начин на унаследяване.
Етиология на наследствените форми на патология. Мутации, техните видове. Концепцията за мутагени
Отделните гени, хромозомите и геномът като цяло непрекъснато претърпяват различни промени. Въпреки факта, че има механизми за възстановяване (възстановяване) на ДНК, някои от повредите и грешките остават. Промените в последователността и броя на нуклеотидите в ДНК се наричат мутации.
Мутациите са постоянни резки промени в наследствения апарат на клетката, които не са свързани с обичайната рекомбинация на генетичен материал.
Всички мутации се класифицират по няколко критерия. един. Поради възникванеторазграничаване между спонтанни и предизвикани
спонтанни мутации -Това са мутации, възникнали 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 значителна роля за възникването на спонтанни мутации. При мъжете с възрастта в зародишните клетки се натрупват генни мутации. 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 насоченото действие върху организма на фактори от различен произход - физични, химични или биологични мутагени. Разпространението на някои мутагени в човешката среда е представено в Приложение. един.
Да се физически мутагенивключват йонизиращо лъчение (α-, β- и γ-лъчи, рентгенови лъчи, неутрони) и UV лъчение. Особеността на йонизиращото лъчение е, че може да предизвика мутации
в ниски дози, които не причиняват радиационно увреждане.
Да се химически мутагенивключват алкохоли, киселини, тежки метали, соли и други съединения. Химически 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 бензпирен. Димният кондензат и повърхностната коричка, образувани при пържене на риба и говеждо месо, съдържат триптофанови пиролизати, които са химически мутагени. Характеристика на химичните мутагени е, че тяхното действие 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, херпес, антигени на някои микроорганизми.
Основните медицински последици от мутагенезата в различни видовеклетки са показани на фиг. един.
2. Според вида на клетките, в които е възникнала мутацията, се разграничават гаметични, соматични и мозаечни мутации.
Гаметични мутациисе срещат в зародишните клетки. Те се наследяват от потомци и като правило се намират във всички клетки на тялото. Последствията от тях засягат съдбата на потомството и причиняват наследствени заболявания.
Ориз. един . Медицински последици от мутагенезата в различни типове клетки
Соматични мутациисе срещат в соматичните клетки, имат произволен характер, могат да се появят на всеки етап от развитието, като се започне от зиготата. Те не се наследяват.
Мозаечни мутацииса мутации, които възникват в клетките на ембриона или плода. В резултат на това възникват клетъчни линии с различни генотипове. Някои клетки на тялото имат нормален кариотип, докато други имат анормален. Колкото по-рано в онтогенезата настъпва соматична мутация, толкова повече клетки съдържат тази мутация и толкова по-изразени са нейните прояви.
3. По стойност се разграничават патогенни, неутрални и благоприятни мутации.
Патогенни мутацииводят до смъртта на ембриона (или плода) или до развитие на наследствени и вродени заболявания. Те се делят на смъртоносни, полулетални, несмъртоносни. Смъртоносността може да се прояви на ниво гамети, зиготи, ембриони, фетуси, както и след раждането.
Неутрални мутацииобикновено не засягат жизнената активност на организма (например мутации, които причиняват появата на лунички по кожата, промени в цвета на косата, ириса).
Благоприятни мутацииповишаване на жизнеспособността на организъм или вид (например тъмният цвят на кожата при жителите на африканския континент).
четири . В зависимост от количеството повреден материал мутациите се делят нагенетичен (промени в отделните гени),хромозомни (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 антиканцерогенни 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 влакна;
2) проникване в тялото по дихателен път (фитонциди);
3) навлизане в човешкото тяло през устата в процеса на фармакотерапия или профилактична употреба:
– лекарства (стрептомицин, хлорамфеникол и др., използвани в малки
– специално синтезирани лекарства (бемитил);
– биологично активни добавки(индол-3-карбинол и др.);
– синтетични антимутагени (йонол, дибунол и др.).
Ендогенните антимутагени включват:
1) повредена 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 тяхното увреждащо действие(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 образуването на истински мутагени от прекурсорни немутагени(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. Повишена активност на ензимните системи, които неутрализират мутагени, канцерогени и други генотоксични съединения. Универсалният механизъм на 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 ремонт (репаративни средства) . За репарации
антимутагените, открити в някои храни (напр. 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 безгрешно възстановяване на ДНК (съдържат се в достатъчни количества в лук, зеле, домати, маруля, картофи, касис и круши).
6. Антимутагени с неизвестен механизъм на действие.AT последните годиниустановена е полифункционалност за някои антимутагени (фенолният компонент на зеления чай - епигалокатехинхалат, изоцианатите от кръстоцветни зеленчуци - сулфоран и фенол изоцианат и др.). Антимутагените действат като уловители на свободните радикали, инхибират синтеза на метаболитно активиране на ксенобиотиците и стимулират тяхната детоксикация, модулират възстановяването на ДНК, влияят на транскрипционните фактори и сигналните пътища, участващи в апоптозата и регулирането на клетъчния цикъл, и 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 предотвратяват трансформацията на индиректни мутагени в истински мутагени в организма.
ГЕННИ БОЛЕСТИ
Генетичните заболявания са група заболявания, които са хетерогенни по клинични прояви и са причинени от мутации на генно ниво. Основата за обединяването им в една група са етиологичните генетични характеристики и съответно моделите на унаследяване в семействата и популациите.
Етиология на генните заболявания
Причините за генните заболявания са генни мутации, които могат да повлияят структурни, транспортнии ембрионални протеини,както и ензими.
Генните мутации са молекулярни промени в структурата на ДНК. Те се дължат на промени химическа структураген, а именно специфичен
Променливостта е процес, който отразява връзката на организма с околната среда.
От генетична гледна точка, изменчивостта е резултат от реакцията на генотипа в процеса индивидуално развитиеорганизма към условията на околната среда.
Променливостта на организмитее един от основните фактори на еволюцията. Той служи като източник за изкуствен и естествен подбор.
Биолозите правят разлика между наследствена и ненаследствена вариабилност. Наследствената вариабилност включва такива промени в характеристиките на даден организъм, които се определят от генотипа и се запазват в продължение на няколко поколения. Към ненаследствена вариабилност, която Дарвин нарече определена, а сега се нарича модификация, или фенотипна променливост, се отнасят до промени в характеристиките на организма; не се запазва по време на половото размножаване.
наследствена вариабилносте промяна в генотипа ненаследствена вариабилност- 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, действието на гените в процеса на формиране на черта, промени, в другия - генотипа. себе си.
Запознахме се с наследствената вариабилност, произтичаща от комбинации от гени и тяхното взаимодействие. Комбинацията от гени се осъществява въз основа на два процеса: 1) независимо разпределение на хромозомите в мейозата и тяхното произволно комбиниране по време на оплождането; 2) кръстосване на хромозоми и генна рекомбинация. Обикновено се нарича наследствена вариабилност, дължаща се на комбинацията и рекомбинацията на гени комбинативна променливост. При този тип вариабилност самите гени не се променят, тяхната комбинация и естеството на взаимодействие в генотипната система се променят. Този тип наследствена вариабилност обаче трябва да се разглежда като вторичен феномен, а мутационната промяна в гена трябва да се счита за първична.
Източник за естествен подборса наследствени промени - както мутации на гени, така и тяхната рекомбинация.
Променливостта на модификацията 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 предизвика още по-големи различия между тях. Въпреки това, семената, събрани от такива растения и засети при същите условия, ще дадат същия вид потомство, ако не в първото, то в следващите поколения. Промените в признаците 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 нормалната реакция на генотипа на организма, има важно еволюционно значение. Както показват А. П. Владимирски през 20-те години на миналия век, В. С. Кирпичников и И. И. Шмалгаузен през 30-те години на миналия век, в случай, когато настъпват промени в адаптивната стойност с фактори на околната среда, които постоянно действат в редица поколения, които могат да причинят мутации, които определят същите промени , може да се създаде впечатление за наследствена фиксация на модификациите.
Мутационните промени задължително са свързани с реорганизацията на възпроизвеждащите структури на зародишните и соматичните клетки. Основната разлика между мутациите и модификациите е, че мутациите могат да бъдат точно възпроизведени в дълга серия 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 промяна в уникалните структури на клетката - хромозомата.
По въпроса за ролята на променливостта в еволюцията в биологията имаше дълга дискусия във връзка с проблема за наследяването на така наречените придобити черти, изтъкнат от Дж. Ламарк през 1809 г., частично приет от Чарлз Дарвин и все още поддържан от редица биолози. Но огромното мнозинство от учените смятат 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 по различни начини; те не могат да бъдат адаптивни за самия организъм, тъй като възникват в единични клетки
И тяхното действие се реализира само в потомството. Не факторът, причинил мутацията, а само подборът оценява адаптивното познание за мутацията. Тъй като посоката и темпът на еволюция 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 изменчивост.
Селекцията на базата на единични мутации "конструира" системи от генотипове, които отговарят на изискванията на онези постоянни условия, в които съществува видът.
Терминът " мутация„за първи път е предложен от G. de Vries в неговата класическа работа „Теория на мутациите“ (1901-1903). Мутация той нарече феномена на спазматична, прекъсната промяна в наследствена черта. Основните положения на теорията на дьо Фриз не са загубили значението си досега и затова трябва да бъдат дадени тук:
- мутацията настъпва внезапно, без никакви преходи;
- новите форми са напълно постоянни, тоест стабилни са;
- Мутациите, за разлика от ненаследствените промени (флуктуации), не образуват непрекъснати серии, те не са групирани 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 мутация;
- едни и същи мутации могат да се появят многократно.
Въпреки това, Г. дьо Врис направи фундаментална грешка, като противопостави теорията за мутациите на теорията за естествения подбор. 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 само чрез селекция в генотипната система. Грешката на G. de Vries е свързана отчасти с факта, че мутациите, които е изследвал при вечерната иглика (Oenothera Lamarciana), впоследствие се оказват резултат от разделянето на сложен хибрид.
Но не може да не се възхищаваме на научната прозорливост, която Х. дьо Фриз прави 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 погледът ни за взаимната връзка на живите организми ще стане много по-дълбок, но и ще се осмеляваме да се надяваме, че възможността за овладяване на изменчивостта трябва да се отвори, както и развъдчикът да доминира променливост, променливост. Разбира се, ние ще стигнем до това постепенно, овладявайки отделните мутации, а това също ще донесе много ползи за земеделската и градинарската практика. Много, което сега изглежда непостижимо, ще бъде по силите ни, ако само можем да научим законите, на които се основава мутацията на видовете. Очевидно тук ни чака безкрайно поле на упорит труд с голямо значение както за науката, така и за практиката. Това е обещаваща област за доминиране 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 законите, установени в експериментите на школата на Морган за генната връзка и тяхната рекомбинация в резултат на кръстосване. Едва след установяването на наследствената дискретност на хромозомите, теорията за мутациите получи основа за научни изследвания.
Въпреки че в момента въпросът за природата на гена не е напълно изяснен, редица общи модели на генна мутация все пак са твърдо установени.
Генните мутации се срещат при всички класове и видове животни, висши и нисши растения, многоклетъчни и едноклетъчни организми, бактерии и вируси. Мутационната вариабилност като процес на качествени спазматични промени е универсална за всички органични форми.
Чисто конвенционално процесът на мутация се разделя на спонтанен и индуциран. В случаите, когато мутациите настъпват под въздействието на обикновени природни фактори на околната среда или в резултат на физиологични и биохимични промени в самия организъм, те се наричат спонтанни мутации. Мутациите, които възникват под въздействието на специални влияния (йонизиращи лъчения, химикали, екстремни условия и др.), се наричат индуциран. Няма фундаментални разлики между спонтанни и предизвикани мутации, но изследването на последните кара биолозите да овладеят наследствената вариабилност и да разкрият мистерията на гена.
Ако откриете 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 за генетиката през 19 век разкрива на човечеството много тайни за нейния произход и развитие. И предмет на неговото изследване са само две свойства на живите организми: наследственост и променливост. Благодарение на първия се осигурява приемственост на поколенията и се осъществява точно предаване. генетична информацияпрез редица поколения. Но променливостта осигурява появата на нови функции.
Стойност на променливостта
Защо един организъм би придобил тези нови черти? Отговорът е съвсем прост: за възможността за адаптация. На снимката по-долу виждате представители на няколко раси от един и същи биологичен вид - Homo sapiens. Техните морфологични различия на този етап, разбира се, нямат адаптивно значение. Но техните далечни предци, нови характеристики помогнаха да оцелеят в трудни условия. По този начин представителите на монголоидната раса имат тесен участък от очите, тъй като в степите често е имало прашни бури. А негроидите имат тъмна кожа като защита от жаркото слънце.
Видове променливост
Променливостта е свойството на организмите да придобиват нови черти в процеса на своето историческо и индивидуално развитие. Тя е от два вида. Това е модификация и наследствена променливост. Те са обединени от редица характеристики. Например, има неизбежни промени в външна структураорганизми. Но по отношение на продължителността на съществуване на модификациите и степента на действие те са абсолютно различни.
Променливост на модификацията
Този тип вариабилност 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 вариабилност на модификацията е добре познатият експеримент със заека. Беше обръснат от малко сива вълна. Лед се нанася върху гола кожа. След известно време на това място порасна вълна. бял цвят, който също беше обръснат. Но в този случай ледът не беше приложен. В резултат на това тъмната коса отново израсна в тази област.
наследствена вариабилност
Този тип вариабилност е постоянен, тъй като засяга структурата на генотипа до нивото на ДНК нуклеотидите. В същото време новите черти се предават на новите поколения. Наследствената вариабилност от своя страна също е от два вида: комбинирана и мутационна. Първият се случва, когато се появи нова комбинация от генетичен материал. Най-простият му пример е сливането на гамети по време на сексуално размножаване. В резултат на това тялото, получаващо половината от генетичната информация от мъжкото и женското тяло, придобива нови характеристики.
Вторият тип е мутационна наследствена вариабилност. Състои се в появата на резки ненасочени промени в генотипа под влияние на различни фактори. Те могат да бъдат йонизиращи и ултравиолетови лъчи, високотемпературни, съдържащи азот химични веществаи други.
В зависимост от нивото на структурата на генетичния апарат, в който настъпват промени, се разграничават няколко вида такива наследствени модификации. С геномни промени в броя на хромозомите в общия набор. Това води до анатомични и морфологични промени в тялото. По този начин появата на трета хромозома в 21-ва двойка причинява болестта на Даун. При хромозомни мутации възниква пренареждане на тази структура. Те са много по-редки от геномните. Секциите от хромозоми могат да бъдат дублирани или отсъстващи, усукани, да променят позицията си. Но генните мутации, които също се наричат точкови мутации, нарушават последователността на мономерите в структурата на нуклеиновите киселини.
Независимо от вида на мутациите, всички те, като правило, не носят полезни свойства за тялото. Следователно човек се научава да ги управлява изкуствено. Така че при развъждането често се използва полиплоидия - многократно увеличаване на броя на хромозомите в набор. В резултат на това растението става по-мощно и дава големи плодове в големи количества. Няма да изненадате никого със смокинова праскова и други вкусни растителни хибриди. Но те са резултат от изкуствено осъществена наследствена вариабилност.
Наследствена изменчивост в процеса на еволюция
Развитието на генетиката помогна да се направи значителна крачка напред в развитието на еволюционната доктрина. Фактът, че само една двойка хромозоми разграничава човека и маймуната, е значително доказателство за теорията на Дарвин. При растенията и животните в историческо развитиевъзможно е да се проследи наследяването на прогресивни черти, които са били предадени и фиксирани в генотипа. Например, водораслите дойдоха на земята поради факта, че знакът за наличието на механични и проводими тъкани беше фиксиран в генотипа. Всяко следващо поколение остави за себе си само необходимите, полезни функции, които се коригираха в зависимост от условията на живот и околната среда. Така се появяват доминиращите видове растения и животни, притежаващи най-прогресивните черти на структурата.
И така, наследствената вариабилност е способността на организмите да придобиват нови черти, които са фиксирани в генотипа. Такива промени са с дългосрочен характер, не изчезват при промяна на условията на околната среда и се наследяват.
Променливост- това е общо 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. Правете разлика между ненаследствена и наследствена вариабилност.
Ненаследствена вариабилност. Ненаследствени, или групови (дефинирани), или променливост на модификацията- това са промени във фенотипа под влияние на условията на околната среда. Променливостта на модификацията не засяга генотипа на индивидите. Генотипът, докато остава непроменен, определя границите, в които фенотипът може да се промени. Тези граници, т.е. възможности за фенотипната проява на даден белег се наричат скорост на реакция и наследени. Нормата на реакцията определя границите, в които дадена характеристика може да се промени. Различните знаци имат различна скорост на реакция – широка или тясна. Така, например, такива признаци като кръвна група, цвят на очите не се променят. Формата на окото на бозайник се променя незначително и има тясна скорост на реакция. Млечността на кравите може да варира в доста широк диапазон в зависимост от условията на породата. Други количествени характеристики също могат да имат широка скорост на реакция - растеж, размер на листата, брой зърна на кочан и др. Колкото по-голяма е скоростта на реакцията, 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 нейните екстремни изрази. Това е добре илюстрирано от такъв пример като броя на джуджетата и гигантите при хората. Те са малко, докато има хиляди пъти повече хора с височина от порядъка на 160-180 см.
Фенотипните прояви на даден признак се влияят от кумулативното взаимодействие на гените и условията на околната среда. Модификационните промени не се наследяват, но не е задължително да имат групов характер и не винаги се появяват при всички индивиди от даден вид при едни и същи условия на околната среда. Модификациите гарантират, че индивидът е адаптиран към тези условия.
наследствена вариабилност(комбинативен, мутационен, неопределен).
Променливост на комбинациятавъзниква по време на половия процес в резултат на нови комбинации от гени, които възникват при оплождане, кръстосване, конюгация, т.е. в процеси, придружени от рекомбинации (преразпределение и нови комбинации) на гени. В резултат на комбинативната изменчивост възникват организми, които се различават от родителите си по генотип и фенотип. Някои комбинационни промени могат да бъдат вредни за индивида. За вида комбинираните промени като цяло са полезни, т.к. водят до генотипно и фенотипно разнообразие. Това допринася за оцеляването на видовете и техния еволюционен напредък.
Мутационна вариабилностсвързани с промени в последователността на нуклеотидите в ДНК молекулите, делеции и вмъквания на големи участъци в ДНК молекули, промени в броя на ДНК молекулите (хромозоми). Такива промени се наричат мутации. Мутациите се унаследяват.
Мутациите включват:
– генетичен- причинява промени в последователността на ДНК нуклеотидите в определен ген и следователно в иРНК и протеина, кодирани от този ген. Генните мутации са както доминантни, така и рецесивни. Те могат да доведат до появата на признаци, които подпомагат или потискат жизнената дейност на организма;
– генеративнамутациите засягат зародишните клетки и се предават по време на половото размножаване;
– соматиченмутациите не засягат зародишните клетки и не се унаследяват при животните, докато при растенията се унаследяват по време на вегетативно размножаване;
– геномнамутациите (полиплоидия и хетероплоидия) са свързани с промяна в броя на хромозомите в клетъчния кариотип;
– хромозомнимутациите са свързани с пренареждания в структурата на хромозомите, промяна в позицията на техните участъци в резултат на прекъсвания, загуба на отделни участъци и др.
Най-честите генни мутации, в резултат на които има промяна, загуба или вмъкване на ДНК нуклеотиди в гена. Мутантните гени предават различна информация към мястото на протеиновия синтез, а това от своя страна води до синтеза на други протеини и появата на нови черти. Мутациите могат да възникнат под въздействието на радиация, ултравиолетова радиация, различни химични агенти. Не всички мутации са ефективни. Някои от тях се коригират по време на възстановяването на ДНК. Фенотипно мутациите се проявяват, ако не са довели до смъртта на организма. Повечето генни мутации са рецесивни. От еволюционно значение са фенотипно проявените мутации, които са предоставили на индивидите или предимства в борбата за съществуване, или обратно, което е причинило смъртта им под натиска на естествения подбор.
Процесът на мутация увеличава генетичното разнообразие на популациите, което създава предпоставките за еволюционния процес.
Честотата на мутациите може да се увеличи изкуствено, което се използва за научни и практически цели.
Променливост- това е общо 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. Правете разлика между ненаследствена и наследствена вариабилност.
Ненаследствена вариабилност. Ненаследствени, или групови (дефинирани), или променливост на модификацията- това са промени във фенотипа под влияние на условията на околната среда. Променливостта на модификацията не засяга генотипа на индивидите. Генотипът, докато остава непроменен, определя границите, в които фенотипът може да се промени. Тези граници, т.е. възможности за фенотипната проява на даден белег се наричат скорост на реакция и наследени. Нормата на реакцията определя границите, в които дадена характеристика може да се промени. Различните знаци имат различна скорост на реакция – широка или тясна. Така, например, такива признаци като кръвна група, цвят на очите не се променят. Формата на окото на бозайник се променя незначително и има тясна скорост на реакция. Млечността на кравите може да варира в доста широк диапазон в зависимост от условията на породата. Други количествени характеристики също могат да имат широка скорост на реакция - растеж, размер на листата, брой зърна на кочан и др. Колкото по-голяма е скоростта на реакцията, 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 нейните екстремни изрази. Това е добре илюстрирано от такъв пример като броя на джуджетата и гигантите при хората. Те са малко, докато има хиляди пъти повече хора с височина от порядъка на 160-180 см.
Фенотипните прояви на даден признак се влияят от кумулативното взаимодействие на гените и условията на околната среда. Модификационните промени не се наследяват, но не е задължително да имат групов характер и не винаги се появяват при всички индивиди от даден вид при едни и същи условия на околната среда. Модификациите гарантират, че индивидът е адаптиран към тези условия.
наследствена вариабилност(комбинативен, мутационен, неопределен).
Променливост на комбинациятавъзниква по време на половия процес в резултат на нови комбинации от гени, които възникват при оплождане, кръстосване, конюгация, т.е. в процеси, придружени от рекомбинации (преразпределение и нови комбинации) на гени. В резултат на комбинативната изменчивост възникват организми, които се различават от родителите си по генотип и фенотип. Някои комбинационни промени могат да бъдат вредни за индивида. За вида комбинираните промени като цяло са полезни, т.к. водят до генотипно и фенотипно разнообразие. Това допринася за оцеляването на видовете и техния еволюционен напредък.
Мутационна вариабилностсвързани с промени в последователността на нуклеотидите в ДНК молекулите, делеции и вмъквания на големи участъци в ДНК молекули, промени в броя на ДНК молекулите (хромозомите). Такива промени се наричат мутации. Мутациите се унаследяват.
Мутациите включват:
– генетичен- причинява промени в последователността на ДНК нуклеотидите в определен ген и следователно в иРНК и протеина, кодирани от този ген. Генните мутации са както доминантни, така и рецесивни. Те могат да доведат до появата на признаци, които подпомагат или потискат жизнената дейност на организма;
– генеративнамутациите засягат зародишните клетки и се предават по време на половото размножаване;
– соматиченмутациите не засягат зародишните клетки и не се унаследяват при животните, докато при растенията се унаследяват по време на вегетативно размножаване;
– геномнамутациите (полиплоидия и хетероплоидия) са свързани с промяна в броя на хромозомите в клетъчния кариотип;
– хромозомнимутациите са свързани с пренареждания в структурата на хромозомите, промяна в позицията на техните участъци в резултат на прекъсвания, загуба на отделни участъци и др.
Най-честите генни мутации, в резултат на които има промяна, загуба или вмъкване на ДНК нуклеотиди в гена. Мутантните гени предават различна информация към мястото на протеиновия синтез, а това от своя страна води до синтеза на други протеини и появата на нови черти. Мутациите могат да възникнат под въздействието на радиация, ултравиолетова радиация, различни химични агенти. Не всички мутации са ефективни. Някои от тях се коригират по време на възстановяването на ДНК. Фенотипно мутациите се проявяват, ако не са довели до смъртта на организма. Повечето генни мутации са рецесивни. От еволюционно значение са фенотипно проявените мутации, които са предоставили на индивидите или предимства в борбата за съществуване, или обратно, което е причинило смъртта им под натиска на естествения подбор.
Процесът на мутация увеличава генетичното разнообразие на популациите, което създава предпоставките 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. Променливостта на модификацията се разбира като
1) фенотипна вариабилност
2) генотипна вариабилност
3) скорост на реакцията
4) всякакви промени в функцията
A2. Посочете чертата с най-голяма скорост на реакция
1) формата на крилете на лястовица
2) формата на клюн на орел
3) време на линеене на заек
4) количеството вълна в една овца
A3. Посочете правилното твърдение
1) факторите на околната среда не влияят върху генотипа на индивида
2) не фенотипът се наследява, а способността да се проявява
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 картофени форми
3) създаването на порода куче без опашка
4) раждането на тигър албинос
A5. С промяна в последователността на ДНК нуклеотидите в гена,
1) генни мутации
2) хромозомни мутации
3) геномни мутации
4) комбинационни пренареждания
A6. Рязкото увеличаване на процента на хетерозиготите в популацията от хлебарки може да доведе до:
1) увеличаване на броя на генните мутации
2) образуване 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 на селските жители в сравнение с градските
2) променливост на комбинацията
3) генни мутации под въздействието на ултравиолетово лъчение
4) променливост на модификацията
A8. Основната причина за хромозомна мутация може да бъде
1) заместване на нуклеотид в ген
2) промяна в температурата на околната среда
3) нарушение на мейотичните процеси
4) вмъкване на нуклеотид в ген
част Б
В 1. Какви примери илюстрират променливостта на модификацията
1) човешки тен
2) рождено петно по кожата
3) плътността на козината на заек от същата порода
4) увеличаване на млечността при кравите
5) с шест пръста при хората
6) хемофилия
В 2. Посочете събития, свързани с мутации
1) многократно увеличаване на броя на хромозомите
2) смяна на подкосъма на заек през зимата
3) заместване на аминокиселини в протеинова молекула
4) появата на албинос в семейството
5) растеж на кореновата система на кактус
6) образуване на кисти в протозоите
VZ. Свържете характеристиката, която характеризира променливостта, с нейния тип
Част В
C1. Какви са начините за постигане на изкуствено увеличаване на честотата на мутациите и защо трябва да се прави това?
C2. Намерете грешки в дадения текст. Поправете ги. Посочете броя на изреченията, в които са допуснати грешки. Обяснете ги.
1. Променливостта на модификацията е придружена от генотипни промени. 2. Примери за модификация са изсветляването на косата след продължително излагане на слънце, увеличаване на млечността на кравите, като същевременно се подобрява храненето. 3. Информацията за промените в модификацията се съдържа в гените. 4. Всички промени в модификациите се наследяват. 5. Проявата на модификационни изменения се влияе от факторите на околната среда. 6. Всички признаци на един организъм се характеризират с еднаква скорост на реакция, т.е. границите на тяхната променливост.
Вредното въздействие на мутагените, алкохола, лекарствата, никотина върху генетичния апарат на клетката. Опазване на околната среда от замърсяване с мутагени. Идентифициране на източниците на мутагени в околен свят(косвено) и оценка възможни последствияефекта им върху собственото им тяло. Наследствени заболявания на човека, техните причини, превенция
Основните термини и понятия, тествани в изпитната работа: биохимичен метод, метод на близнаци, хемофилия, хетероплоидия, цветна слепота, мутагени, мутагенеза, полиплоидия.
