MINISTARSTVO ZDRAVLJA REPUBLIKE BJELORUSIJE
BJELORUSKO DRŽAVNO MEDICINSKO SVEUČILIŠTE
ZAVOD ZA PATOLOŠKU FIZIOLOGIJU
S. A. Zhadan, T. N. Afanasyeva, F. I. Vismont
ULOGA NASLJEĐA U PATOLOGIJI
Nastavno-metodički priručnik
Minsk BSMU 2012
OPĆE KARAKTERISTIKE NASLJEDNE PATOLOGIJE
Medicinska genetika i njezine zadaće
Nasljedstvo- to je svojstvo živih bića i stanica tijela da svoje osobine (anatomske i fiziološke osobine) prenose na potomke. Osigurava relativnu stabilnost vrste. Materijalni nositelji nasljedne informacije su geni – dijelovi molekule DNA.
Varijabilnost je svojstvo organizma i njegovih stanica koje se očituje u nastanku novih svojstava.
U Trenutno je poznato oko 2000 vrsta nasljednih patologija
I genetski uvjetovanih sindroma. Njihov broj stalno raste, a svake godine opisuju se deseci novih oblika nasljednih bolesti.. Glavni razlozi koji pridonose povećanju rasta nasljedne patologije su:
– značajan napredak medicine u liječenju i prevenciji mnogih zaraznih bolesti;
– povećanje onečišćenja okoliša mutagenim agensima;
– povećanje prosječnog životnog vijeka čovjeka.
Uz to, poboljšanje dijagnostičkih metoda i napredak u molekularnoj biologiji omogućuju prepoznavanje genetske prirode niza ozbiljnih bolesti koje prethodno nisu bile povezane s genomskim abnormalnostima (na primjer, kromosomske bolesti).
Genetika je znanost o nasljeđu i varijabilnosti organizma. Grana genetike koja se bavi proučavanjem ljudskog nasljeđa i varijabilnosti s gledišta patologije naziva se medicinska genetika.
Glavni ciljevi medicinske genetike su:
1. Proučavanje nasljednih oblika patologije, njihove etiologije, patogeneze, unapređenje dijagnostike, razvoj metoda prevencije i liječenja.
2. Proučavanje uzroka i mehanizama nasljedno uvjetovane sklonosti i otpornosti na razne (uključujući zarazne bolesti) bolesti.
3. Proučavanje uloge i značenja genetskog aparata u razvoju adaptacijskih reakcija, fenomena kompenzacije i dekompenzacije.
4. Detaljno sveobuhvatno proučavanje procesa mutageneze i antimutageneze, njihovu ulogu u razvoju bolesti.
5. Proučavanje niza općih bioloških problema: molekularni genetski mehanizmi karcinogeneze, uloga genetskog aparata u pojavama tkivne inkompatibilnosti, autoimune reakcije organizma i dr.
Pojam nasljedne i kongenitalne patologije. Fenokopije
Pojmovi "nasljednih bolesti" i "kongenitalnih bolesti" daleko su od jasnih.
Urođene bolesti su sve bolesti koje se javljaju neposredno nakon rođenja djeteta. Mogu biti nasljedni i nenasljedni.
Na broj nasljedne bolesti uključuju samo one temeljene na strukturnim promjenama genetskog materijala. Neki od njih se klinički manifestiraju već u prvim danima nakon rođenja, drugi u adolescenciji, odrasloj dobi, a ponekad i u starijoj dobi.
Nenasljedne bolesti uzrokovani su učinkom nepovoljnih čimbenika okoliša na razvoj fetusa tijekom trudnoće i ne utječu na njegov genetski aparat.
Fenokopije, razlozi njihovog razvoja
U medicinskoj genetici razlikuje se još jedan koncept - fenokopije. Fenokopija je klinički sindrom koji se javlja pod utjecajem čimbenika okoliša tijekom embrionalnog razvoja, sličan po svojim manifestacijama nasljednoj bolesti, ali ima negenetsko podrijetlo. Na primjer, takve anomalije kao što su "rascjep nepca", "rascjep usne" mogu biti nasljedne (Patauov sindrom) i nenasljedne, kao rezultat poremećaja embrionalnog razvoja. Hipotireoza se nasljeđuje kao autosomno recesivna osobina, ali se također može pojaviti kao fenokopija u ljudi koji žive u područjima gdje piti vodu siromašan jodom. Rana gluhoća može se naslijediti kao recesivna ili dominantna osobina, ili se može pojaviti kao fenokopija u djece rođene od žena koje su imale rubeolu tijekom trudnoće.
Dakle, fenokopije su bolesti koje su površinski slične nasljednim bolestima, ali nisu povezane s promjenama u genotipu.
Uzroci fenokopije mogu biti:
– izgladnjivanje fetusa kisikom (intrauterina hipoksija), uzrokujući razvoj ozbiljnih nedostataka u strukturi mozga i lubanje, mikrocefalija;
– endokrini poremećaji u tijelu trudnice (vjerojatnost rađanja bolesnog djeteta kod takve žene je otprilike 2,5 puta veća);
– zarazne bolesti trudnice (toksoplazmoza, rubeola, sifilis itd.), osobito u ranom razdoblju trudnoće, uzrokujući u značajnom postotku slučajeva (do 60–70%) teški deformiteti (mikrocefalija, gluhonijema, rascjep mekog nepca itd.);
– težak mentalne traume i produljeni emocionalni stres žene tijekom trudnoće;
– lijekovi s citotoksičnim ili antimetaboličkim učincima;
– kronični alkoholizam roditelja (defekti u razvoju kod djece roditelja koji ne piju su oko 2%, kod umjerenih konzumenata alkohola - do 9%, kod teških konzumenata alkohola - 74%) itd.
Klasifikacija bolesti uzimajući u obzir odnos nasljednih i okolišnih čimbenika u njihovom razvoju. Koncept
O prodornost i izražajnost
U razvoju bolesti, kao iu životu zdravo tijelo, uključena su dva glavna čimbenika: utjecaji okoliša
(vanjski faktor ) i nasljednost ( unutarnji faktor).
Uzimajući u obzir udio unutarnjih i vanjskih čimbenika u razvoju bolesti, razlikuju se sljedeće skupine bolesti (N. P. Bochkov, 2002.):
1. Zapravo nasljedne bolesti. Uzrok ovih bolesti su abnormalnosti u genetskom aparatu stanice, tj. mutacije (genetski, kromosomski i genomski). Okolina određuje samo prodornost (učestalost manifestacije abnormalnog gena u populaciji osoba koje posjeduju ovaj gen)
I izražajnost(stupanj izraženosti djelovanja gena kod određene jedinke). Ova skupina uključuje takve monogenski uzrokovane bolesti kao što su alkaptonurija, fenilketonurija, hepatocerebralna distrofija, hemofilija itd., kao i sve kromosomske bolesti.
2. Ekogenetske bolesti. Ova skupina nasljednih bolesti uzrokovana je mutacijom čiji se učinak očituje tek kada je tijelo izloženo određenom okolišnom čimbeniku specifičnom za dati mutirani gen. Za ove bolesti, genetske i okolišne
komponenta je predstavljena jednofaktorski: pojedinačni gen – okolišni čimbenik specifičan za određeni gen. Takve bolesti uključuju, na primjer, anemiju srpastih stanica (poludominantno nasljedna hemoglobinopatija). U heterozigotnih nositelja HbS hemolitičke krize koje dovode do anemije javljaju se samo u uvjetima hipoksije ili acidoze. U nasljednoj fermentopatiji povezanoj s nedostatkom glukoza-6-fosfat dehidrogenaze, sličnu ulogu može igrati uporaba oksidirajućih lijekova, konzumacija boba, a ponekad i virusna infekcija.
3. Bolesti s nasljednom predispozicijom. Oni su rezultat interakcije genetskih i okolišnih čimbenika, a oba su brojna. Ponekad se ove bolesti nazivaju multifaktorijalne, ili multifaktorijalne. Među njima je ogroman broj bolesti zrele i starije životne dobi: hipertenzija, ateroskleroza, koronarna bolest, čir na želucu i 12 prsten crijeva, maligne neoplazme itd.
Ne postoji jasna razlika između druge i treće skupine bolesti. Često se spajaju u jednu skupinu bolesti s nasljednom sklonošću, pri čemu se razlikuju monogena i poligena sklonost.
4. Bolesti uzrokovane okolišnim čimbenicima od kojih tijelo nema mogućnosti obrane (ekstremno). To su razne ozljede
(mehaničke, električne), bolesti nastale pod utjecajem ionizirajućeg zračenja, opekline, ozebline, posebno opasne infekcije i dr. Genetski čimbenik u tim slučajevima određuje samo težinu bolesti, njezin ishod, au nekim slučajevima i vjerojatnost nastanka .
Klasifikacija nasljednih oblika patologije
U Zbog složene prirode nasljedne patologije, postoje dva glavna načela njezine klasifikacije: klinički i genetski.
Klinički princip klasifikacije podrazumijeva podjelu nasljednih oblika patologije ovisno o organu ili sustavu koji je najviše uključen u patološki proces. U skladu s tim kriterijem razlikuju se nasljedne bolesti živčani sustav, bolestimišićno-koštaniaparati, koža, krv itd.
Osnova genetska klasifikacija Nasljedne bolesti temelje se na etiološkom principu, odnosno vrsti mutacija i prirodi njihove interakcije s okolinom. U skladu s ovim kriterijem, sve nasljedne patologije mogu se podijeliti u skupine:
1) genske bolesti, uzrokovane mutacijama gena;
2) kromosomske bolesti, kao rezultat kromosomskih ili genomskih mutacija;
3) bolesti s nasljednom predispozicijom (multifaktorijalne)
- razviti u pojedinaca s odgovarajućom kombinacijom "predisponirajućih" nasljednih i "manifestirajućih" vanjskih čimbenika;
4) genetske bolesti somatskih stanica;
5) bolesti genetske nekompatibilnosti majke i fetusa.
Svaka od ovih skupina dalje je podijeljena prema detaljnijim genetskim karakteristikama i načinu nasljeđivanja.
Etiologija nasljednih oblika patologije. Mutacije, njihove vrste. Pojam mutagena
Pojedini geni, kromosomi i genom u cjelini neprestano prolaze kroz razne promjene. Unatoč činjenici da postoje mehanizmi za popravak (obnavljanje) DNA, neka oštećenja i pogreške ostaju. Promjene u nizu i broju nukleotida u DNA nazivaju se mutacijama.
Mutacije su stalne, nagle promjene u nasljednom aparatu stanice, koje nisu povezane s uobičajenom rekombinacijom genetskog materijala.
Sve su mutacije klasificirane prema nekoliko kriterija. 1. Zbog pojave razlikovati spontano i inducirano
Spontane mutacije - To su mutacije koje nastaju spontano pod utjecajem prirodnih mutagena egzogenog ili endogenog podrijetla. Uzrok takvih mutacija može biti kozmičko zračenje, radioaktivni izotopi, endogeni kemijski mutageni (peroksidi i slobodni radikali – automutageni) nastali u tijelu tijekom metabolizma. Dob ima značajnu ulogu u nastanku spontanih mutacija. Kod muškaraca se mutacije gena nakupljaju u zametnim stanicama kako stare. Kod žena nije zabilježena ovisnost genskih mutacija o dobi, ali je otkrivena jasna veza između dobi majke i učestalosti kromosomskih bolesti u potomaka.
Inducirane mutacije - To su mutacije uzrokovane ciljanim djelovanjem na tijelo čimbenika različitog podrijetla - fizičkih, kemijskih ili bioloških mutagena. Prevalencija nekih mutagena u ljudskom okolišu prikazana je u dodatku. 1.
DO fizički mutageni uključuju ionizirajuće zračenje (α-, β- i γ-zrake, rendgensko zračenje, neutroni) i UV zračenje. Posebnost Ionizirana radiacija je da može inducirati mutacije
V male doze koje ne uzrokuju oštećenja zračenjem.
DO kemijski mutageni uključuju alkohole, kiseline, teške metale, soli i druge spojeve. Kemijski mutageni nalaze se u zraku (arsen, fluor, sumporovodik, olovo itd.), tlu (pesticidi i dr.
kemikalije), hrana, voda. Utvrđeno je da mnogi lijekovi imaju izraženo mutageno djelovanje (Prilog 2). Vrlo jak mutagen je kondenzat cigaretnog dima koji sadrži benzopiren. Kondenzacija dima i površinske kore nastale prženjem ribe i govedine sadrže pirolizate triptofana, koji su kemijski mutageni. Osobitost kemijskih mutagena je da njihov učinak ovisi o dozi i fazi staničnog ciklusa. Što je veća doza mutagena, to je mutageni učinak jači.
DO biološki mutageni uključuju bakterijske toksine, ospice, rubeolu, gripu, herpes viruse i antigene određenih mikroorganizama.
Glavne medicinske posljedice mutageneze u različite vrstećelije prikazane su na sl. 1.
2. Na temelju vrste stanica u kojima je mutacija nastala razlikuju se gametske, somatske i mozaične mutacije.
Gametske mutacije nastaju u zametnim stanicama. Nasljeđuju ih potomci i obično se nalaze u svim stanicama tijela. Njihove posljedice utječu na sudbinu potomstva i uzrokuju nasljedne bolesti.
Riža. 1 . Medicinske posljedice mutageneze u različitim tipovima stanica
Somatske mutacije pojavljuju se u somatskim stanicama, nasumične su prirode i mogu se pojaviti u bilo kojoj fazi razvoja, počevši od zigote. Nisu naslijeđene.
Mozaičke mutacije- To su mutacije koje se događaju u stanicama embrija ili fetusa. Kao rezultat toga nastaju stanične linije različitih genotipova. Neke stanice u tijelu imaju normalan kariotip, dok druge imaju abnormalni kariotip. Što se ranije u ontogenezi pojavi somatska mutacija, to više stanica sadrži tu mutaciju i njezine manifestacije su izraženije.
3. Prema značaju razlikuju se patogene, neutralne i korisne mutacije.
Patogene mutacije dovesti do smrti embrija (ili fetusa) ili do razvoja nasljednih i prirođenih bolesti. Dijele se na letalne, poluletalne, neletalne. Letalitet se može dogoditi na razini gameta, zigota, embrija, fetusa, a također i nakon rođenja.
Neutralne mutacije obično ne utječu na vitalne funkcije tijela (primjerice, mutacije koje uzrokuju pojavu pjegica na koži, promjene boje kose ili promjene šarenice).
Povoljne mutacije povećati održivost organizma ili vrste (na primjer, tamna boja kože stanovnika afričkog kontinenta).
4 . Ovisno o volumenu oštećenog materijala mutacije se dijele na genetski (promjene pojedinih gena), kromosomski (strukturne kromosomske aberacije), genomski (brojčane kromosomske aberacije).
Antimutageneza. Mehanizmi djelovanja antimutagena
Antimutageneza je proces suzbijanja spontanih i induciranih mutacija. Tvari s takvim svojstvima nazivaju se antimutageni. Neki od njih dati su u prilogu. 3.
Postoje različiti principi za klasifikaciju antimutagena:
1) prema podrijetlu: egzogeni i endogeni, intracelularni i izvanstanični;
2) mehanizam djelovanja;
3) kemijska struktura i antikarcinogena svojstva.
Egzogeni antimutageni uključuju:
– esencijalne aminokiseline (metionin, histidin, arginin, glutaminska kiselina, itd.);
– vitamini i provitamini (uglavnom A, E, C, K);
– višestruko nezasićene masne kiseline;
– elementi u tragovima (Se), kobaltov klorid;
– prehrambena vlakna;
2) prodiranje u tijelo respiratornim putem (fitoncidi);
3) ulazak u ljudski organizam oralnim putem tijekom farmakoterapije ili profilaktičke primjene:
– lijekovi (streptomicin, kloramfenikol itd., koji se koriste u malim
– posebno sintetizirani lijekovi (bemitil);
– biološki aktivni aditivi(indol-3-karbinol, itd.);
– sintetski antimutageni (ionol, dibunol, itd.).
Endogeni antimutageni uključuju:
1) oštećeni sustav popravka DNK;
2) antioksidativni sustav;
3) enzimski sustavi;
4) stanični metaboliti;
5) hormoni štitnjače, melatonin;
6) embrionalne tvari (Co);
7) Spojevi koji sadrže S (glutation).
Mehanizmi djelovanja antimutagena
Glavni mehanizmi djelovanja antimutagena uključuju:
1. Inaktivacija mutagena vanjskog porijekla i zaštita DNA od njihovog štetnog djelovanja(dismutageni). U većini slučajeva dismutageni se stabilno vežu na mutagen i uklanjaju ga iz organizma (ekstrakt peršina, cikle, rotkvice, celera, šljive, borovnice, jabuke).
2. Suzbijanje procesa stvaranja pravih mutagena iz prethodnih nemutagenih tvari(vitamini C, E, tanini,
neki fenoli).
3. Inhibira aktivnost slobodnih radikala koji mogu oštetiti DNK(antioksidansi: superoksid dismutaza, glutation peroksidaza, katalaza, vitamin C, A,α-tokoferol, β-karoten, E, melatonin, itd.).
4. Povećanje aktivnosti enzimskih sustava koji neutraliziraju mutagene, kancerogene i druge genotoksične spojeve. Univerzalni mehanizam za inaktivaciju ksenobiotika osiguravaju mikrosomalni jetreni enzimi koji metaboliziraju do 75% svih lijekova.
5. Antimutageni koji smanjuju pogreške u popravku i replikaciji DNA,
aktivacija i korekcija popravka (reparageni) . Prema reparacijama
Antimutageni koji se nalaze u nekoj hrani (na primjer, kukuruzno, pamučno, suncokretovo, sojino i druga biljna ulja) uključuju:
– vanilin, cijanamaldehid i drugi aldehidi nastali oksidacijom zasićenih masnih kiselina. Ove tvari stimuliraju genetsku rekombinaciju, privremeno inhibiraju diobu stanica, povećavajući vrijeme popravka DNK;
– soli kobalta, koje povećavaju učinkovitost popravka DNK bez grešaka (nalaze se u dovoljnim količinama u luku, kupusu, rajčici, salati, krumpiru, crnom ribizlu i kruškama).
6. Antimutageni s nepoznatim mehanizmom djelovanja.U posljednjih godina Polifunkcionalnost je utvrđena za neke antimutagene (fenolna komponenta zelenog čaja - epigalokatehin galat, izocijanati iz cruciferous povrća - sulforan i fenolni izocijanat i dr.). Antimutageni djeluju kao hvatači slobodnih radikala, potiskuju sintezu metaboličke aktivacije ksenobiotika i potiču njihovu detoksikaciju, moduliraju popravak DNA, utječu na faktore transkripcije i signalne putove uključene u apoptozu i regulaciju staničnog ciklusa, suzbijaju upalu i angiogenezu.
Dakle, glavni antimutageni uključuju:
1) spojevi koji neutraliziraju mutagen prije nego što reagira s molekulom
2) tvari koje uklanjaju oštećenje molekule DNA uzrokovano mutagenom ili povećavaju njegovu otpornost na mutagene;
3) spojevi koji sprječavaju tijelo da neizravne mutagene pretvori u prave.
GENE BOLESTI
Genske bolesti su skupina bolesti heterogenih kliničkih manifestacija uzrokovanih mutacijama na razini gena. Osnova za njihovo kombiniranje u jednu skupinu su etiološke genetske karakteristike i, sukladno tome, obrasci nasljeđivanja u obiteljima i populacijama.
Etiologija genskih bolesti
Uzroci genskih bolesti su genske mutacije koje mogu utjecati konstrukcijski, transportni I embrionalne bjelančevine kao i enzimi.
Genske mutacije su molekularne promjene u strukturi DNA. One su uzrokovane promjenama kemijska struktura gena, naime specifičnog
Varijabilnost je proces koji odražava odnos organizma s okolinom.
S genetičkog gledišta, varijabilnost je rezultat reakcije genotipa u procesu individualni razvoj organizma na uvjete okoline.
Varijabilnost organizama jedan je od glavnih čimbenika evolucije. Služi kao izvor za umjetnu i prirodnu selekciju.
Biolozi razlikuju nasljednu i nenasljednu varijabilnost. Nasljedna varijabilnost uključuje takve promjene u svojstvima organizma koje su određene genotipom i traju tijekom niza generacija. Na nenasljednu varijabilnost, koju je Darwin nazvao definitivnom, a sada se zove izmjena, ili fenotipska varijabilnost, odnosi se na promjene u karakteristikama organizma; ne očuva se tijekom spolnog razmnožavanja.
Nasljedna varijabilnost predstavlja promjenu genotipa, nenasljedna varijabilnost - promjena fenotipa organizma.
Tijekom individualnog života organizma, pod utjecajem okolišnih čimbenika, u njemu se mogu dogoditi dvije vrste promjena: u jednom slučaju mijenja se funkcioniranje i djelovanje gena u procesu formiranja karaktera, u drugom se mijenja sam genotip .
Upoznali smo se s nasljednim varijacijama koje proizlaze iz kombinacija gena i njihove interakcije. Kombinacija gena provodi se na temelju dvaju procesa: 1) neovisne raspodjele kromosoma u mejozi i njihove slučajne kombinacije tijekom oplodnje; 2) križanje kromosoma i rekombinacija gena. Obično se naziva nasljedna varijabilnost uzrokovana kombinacijom i rekombinacijom gena kombinacijska varijabilnost. S ovom vrstom varijabilnosti sami geni se ne mijenjaju, ali se mijenja njihova kombinacija i priroda interakcije u sustavu genotipa. Međutim, ovu vrstu nasljedne varijabilnosti treba smatrati sekundarnom pojavom, a mutacijsku promjenu gena primarnom.
Izvor za prirodni odabir su nasljedne promjene – i mutacije gena i njihove rekombinacije.
Modifikacijska varijabilnost igra ograničenu ulogu u organskoj evoluciji. Dakle, ako uzmete vegetativne izdanke iste biljke, na primjer jagode, i uzgajate ih u različitim uvjetima vlažnosti, temperature, svjetlosti, na različitim tlima, tada će se, unatoč istom genotipu, pokazati različitima. Djelovanje različitih ekstremnih čimbenika može izazvati još veće razlike u njima. Međutim, sjeme sakupljeno s takvih biljaka i posijano pod istim uvjetima dat će potomke iste vrste, ako ne u prvoj, onda u sljedećim generacijama. Promjene u svojstvima organizma uzrokovane djelovanjem okolišnih čimbenika u ontogenezi nestaju smrću organizma.
U isto vrijeme, sposobnost takvih promjena, ograničena granicama norme reakcije genotipa organizma, ima važno evolucijsko značenje. Kao što je pokazao A. P. Vladimirsky u 20-ima, V. S. Kirpichnikov i I. I. Shmalgauzen u 30-ima, u slučaju kada modifikacijske promjene adaptivnog značaja nastaju kada čimbenici okoliša neprestano djeluju u nizu generacija, koji su sposobni izazvati mutacije koje određuju iste promjene , što može dati dojam nasljedne konsolidacije modifikacija.
Mutacijske promjene nužno su povezane s reorganizacijom reprodukcijskih struktura zametnih i somatskih stanica. Temeljna razlika između mutacija i modifikacija je u tome što se mutacije mogu točno reproducirati tijekom dugog niza generacija stanica, bez obzira na uvjete okoliša u kojima se ontogeneza odvija. To se objašnjava činjenicom da je pojava mutacija povezana s promjenama u jedinstvenim strukturama stanice - kromosoma.
U biologiji se vodila duga rasprava o ulozi varijabilnosti u evoluciji u vezi s problemom nasljeđivanja tzv. stečenih svojstava, koju je iznio J. Lamarck 1809., djelomično prihvatio Charles Darwin, a još uvijek podržava niz biologa. . Ali velika većina znanstvenika smatra da je sama formulacija ovog problema neznanstvena. Pritom se mora reći da je ideja da nasljedne promjene u tijelu nastaju primjereno djelovanju okolišnog čimbenika potpuno besmislena. Mutacije se javljaju u raznim smjerovima; oni ne mogu biti adaptivni za sam organizam, budući da nastaju u pojedinačnim stanicama
A njihov se učinak ostvaruje samo u potomstvu. Nije faktor koji je uzrokovao mutaciju, već samo selekcija koja procjenjuje adaptivno znanje o mutaciji. Budući da su smjer i tempo evolucije određeni prirodnom selekcijom, a potonji je kontroliran mnogim čimbenicima unutarnjeg i vanjskog okruženja, stvara se lažna ideja o početnoj primjerenoj svrhovitosti nasljedne varijabilnosti.
Selekcija na temelju pojedinačnih mutacija "konstruira" sustave genotipova koji udovoljavaju zahtjevima stalno djelujućih uvjeta u kojima vrsta egzistira.
Uvjet " mutacija"prvi je predložio G. de Vries u svom klasičnom djelu "Teorija mutacije" (1901. -1903.). Mutaciju je nazvao fenomenom grčevite, diskontinuirane promjene nasljedna osobina. Glavne odredbe de Vriesove teorije još nisu izgubile svoj značaj, pa ih stoga treba dati ovdje:
- mutacija se javlja iznenada, bez ikakvih prijelaza;
- novi oblici su potpuno stalni, odnosno stabilni;
- mutacije, za razliku od nenasljednih promjena (fluktuacija), ne tvore kontinuirane nizove i nisu grupirane oko prosječnog tipa (modusa). Mutacije su kvalitativne promjene;
- mutacije idu u različitim smjerovima, mogu biti i korisne i štetne;
- otkrivanje mutacija ovisi o broju jedinki analiziranih za otkrivanje mutacija;
- iste se mutacije mogu ponavljati.
Međutim, G. de Vries napravio je temeljnu pogrešku suprotstavivši teoriju mutacija teoriji prirodne selekcije. Pogrešno je vjerovao da mutacije mogu odmah dovesti do novih vrsta prilagođenih vanjskom okruženju, bez sudjelovanja selekcije. Zapravo, mutacije su samo izvor nasljednih promjena koje služe kao materijal za selekciju. Kao što ćemo kasnije vidjeti, mutacija gena procjenjuje se selekcijom samo u sustavu genotipa. Pogreška G. de Vriesa djelomično je posljedica činjenice da su se mutacije koje je proučavao kod noćurka (Oenothera Lamarciana) kasnije pokazale rezultatom cijepanja složenog hibrida.
Ali ne može se ne diviti znanstvenom predviđanju koje je G. de Vries napravio u vezi s formulacijom glavnih odredbi teorije mutacije i njezinog značaja za selekciju. Davne 1901. godine napisao je: “...mutacija, sama mutacija, treba postati predmet proučavanja. A ako ikad uspijemo razjasniti zakone mutacije, tada ne samo da će naš pogled na uzajamno srodstvo živih organizama postati mnogo dublji, nego se također usuđujemo nadati da bi postalo moguće ovladati promjenjivošću kao što se mijenjaju gospodari uzgoja. i promjenjivost. Naravno, do toga ćemo doći postupno, svladavajući pojedine mutacije, a to će također donijeti mnoge dobrobiti poljoprivrednoj i hortikulturnoj praksi. Mnogo toga što se sada čini nedostižnim bit će u našoj moći ako samo uspijemo razumjeti zakone na kojima se temelji mutacija vrsta. Očito nas ovdje čeka golemo polje ustrajnog rada od velikog značaja kako za znanost tako i za praksu. Ovo je obećavajuće područje kontrole mutacija." Kao što ćemo kasnije vidjeti, moderna prirodna znanost je na pragu razumijevanja mehanizma mutacije gena.
Teorija mutacija mogla se razviti tek nakon otkrića Mendelovih zakona i obrazaca povezivanja gena i njihove rekombinacije kao rezultat križanja utvrđenih u eksperimentima Morganove škole. Tek od utvrđivanja nasljedne diskretnosti kromosoma, teorija mutacija dobila je temelj za znanstveno istraživanje.
Iako trenutno pitanje prirode gena nije u potpunosti razjašnjeno, određeni broj općih obrazaca mutacije gena ipak je čvrsto utvrđen.
Genske mutacije javljaju se u svim klasama i vrstama životinja, višim i nižim biljkama, višestaničnim i jednostaničnim organizmima, bakterijama i virusima. Mutacijska varijabilnost kao proces kvalitativnih naglih promjena univerzalna je za sve organske oblike.
Čisto konvencionalni mutacijski proces dijeli se na spontani i inducirani. U slučajevima kada mutacije nastaju pod utjecajem običnih prirodnih čimbenika okoliša ili kao rezultat fizioloških i biokemijskih promjena u samom tijelu, klasificiraju se kao spontane mutacije. Mutacije koje nastaju pod utjecajem posebnih utjecaja (ionizirajuće zračenje, kemikalije, ekstremni uvjeti itd.) nazivaju se induciran. Ne postoje temeljne razlike između spontanih i induciranih mutacija, ali proučavanje potonjih dovodi biologe do ovladavanja nasljednom varijabilnošću i razotkrivanja misterija gena.
Ako pronađete grešku, označite dio teksta i kliknite Ctrl+Enter.
U našem članku ćemo govoriti o jedinstvenom svojstvu svih živih organizama, što je osiguralo nastanak ogromnog broja vrsta živih bića. Ovo je nasljedna varijacija. Što je to, koje su njegove značajke i mehanizam implementacije? Sada ćete pronaći odgovore na ova i mnoga druga pitanja.
Što proučava genetika?
Relativno mlada znanost genetika u 19. stoljeću otkrila je čovječanstvu mnoge tajne svog nastanka i razvoja. A predmet njegovog proučavanja su samo dva svojstva živih organizama: nasljednost i varijabilnost. Zahvaljujući prvom, osiguran je kontinuitet generacija i točan prijenos genetske informacije kroz cijeli niz generacija. Ali varijabilnost osigurava pojavu novih karakteristika.
Vrijednost varijabilnosti
Zašto tijelo poprima te nove karakteristike? Odgovor je vrlo jednostavan: za mogućnost prilagodbe. Na slici ispod vidite predstavnike nekoliko rasa iste biološke vrste- Razuman čovjek. Njihove morfološke razlike u ovoj fazi prirodno nemaju nikakav adaptivni značaj. Ali njihovi daleki preci imali su nove značajke koje su im pomogle da prežive u teškim uvjetima. Dakle, predstavnici mongoloidne rase imaju uski oblik očiju, jer su u stepama često bile oluje s prašinom. A negroidi imaju tamnu kožu kao zaštitu od užarenih sunčevih zraka.
Vrste varijabilnosti
Varijabilnost je svojstvo organizama da u procesu svog povijesnog i individualnog razvoja stječu nova svojstva. Dolazi u dvije vrste. Ovo je modifikacija i nasljedna varijabilnost. Ujedinjuju ih brojne karakteristike. Na primjer, promjene se neizbježno događaju u vanjska struktura organizmi. Ali u pogledu trajanja postojanja modifikacija i stupnja djelovanja, one su potpuno različite.
Varijabilnost modifikacije
Ova vrsta varijabilnosti nije nasljedna. Nije fiksiran u genotipu, nije trajan i javlja se pod utjecajem promjena u uvjetima okoliša. Upečatljiv primjer modifikacijske varijabilnosti je dobro poznati pokus sa zecom. Mali dio njegova sivog krzna bio je obrijan. I led je stavljen na golu kožu. Nakon nekog vremena na ovom je mjestu izrasla vuna bijela, koji je također bio obrijan. Ali u ovom slučaju led nije primijenjen. Kao rezultat toga, tamna kosa ponovno je izrasla na ovom području.
Nasljedna varijabilnost
Ova vrsta varijabilnosti je trajna, jer utječe na strukturu genotipa sve do razine nukleotida DNA. U tom slučaju nove karakteristike se prenose na nove generacije. Nasljedna varijabilnost, pak, također dolazi u dvije vrste: kombinativnu i mutacijsku. Prvi se događa kada se pojavi nova kombinacija genetskog materijala. Njegov najjednostavniji primjer je spajanje gameta tijekom spolnog razmnožavanja. Kao rezultat toga, tijelo, primajući polovicu genetskih informacija od muškog i ženskog organizma, stječe nove karakteristike.
Drugi tip je mutacijska nasljedna varijabilnost. Sastoji se od pojave oštrih neusmjerenih promjena u genotipu pod utjecajem različitih čimbenika. Mogu biti ionizirajuće i ultraljubičasto zračenje, visoka temperatura, dušik kemijske tvari i drugi.
Ovisno o razini strukture genetskog aparata u kojem se događaju promjene, razlikuje se nekoliko vrsta takvih nasljednih modifikacija. S genomskim se mijenja broj kromosoma u ukupnom skupu. To dovodi do anatomskih i morfoloških promjena u tijelu. Dakle, pojava trećeg kromosoma u 21. paru uzrokuje Downov sindrom. S kromosomskim mutacijama dolazi do restrukturiranja ove strukture. Mnogo su rjeđi od genomskih. Dijelovi kromosoma mogu biti duplicirani ili nedostajati, uvrnuti ili promijeniti svoj položaj. Ali genske mutacije, koje se nazivaju i točkaste mutacije, remete slijed monomera u strukturi nukleinskih kiselina.
Bez obzira na vrstu mutacije, svi oni, u pravilu, nemaju korisna svojstva za tijelo. Stoga ih osoba nauči kontrolirati umjetno. Tako se u selekciji često koristi poliploidija - višestruko povećanje broja kromosoma u setu. Kao rezultat toga, biljka postaje snažnija i daje velike plodove velike količine. Nikoga nećete iznenaditi smokvinom breskvom i drugim ukusnim biljnim hibridima. Ali oni su rezultat umjetno unesene nasljedne varijabilnosti.
Nasljedna varijabilnost u procesu evolucije
Razvoj genetike pridonio je značajnom iskoraku u razvoju evolucijskog učenja. Činjenica da se ljudi i majmuni razlikuju samo po jednom paru kromosoma postala je značajan dokaz Darwinove teorije. Kod biljaka i životinja povijesni razvoj moguće je pratiti nasljeđivanje progresivnih svojstava koja su se prenosila i fiksirala u genotipu. Na primjer, alge su dospjele na kopno zahvaljujući činjenici da je prisutnost mehaničkih i vodljivih tkiva bila fiksirana u genotipu. Svaka sljedeća generacija zadržala je za sebe samo potrebna, korisna svojstva, koja su se prilagođavala ovisno o životnim uvjetima i okruženju. Tako su se pojavile dominantne vrste biljaka i životinja koje su imale najprogresivnije strukturne značajke.
Dakle, nasljedna varijabilnost je sposobnost organizama da steknu nove karakteristike koje su fiksirane u genotipu. Takve su promjene dugotrajne, ne nestaju promjenom okolišnih uvjeta i nasljeđuju se.
Varijabilnost je univerzalno svojstvo živih sustava povezano s promjenama fenotipa i genotipa koje nastaju pod utjecajem vanjske okoline ili kao posljedica promjena u nasljednom materijalu. Postoji nenasljedna i nasljedna varijabilnost.
Nenasljedna varijabilnost. Nenasljedni, ili grupni (određeni), odn modifikacijska varijabilnost– to su promjene fenotipa pod utjecajem okolišnih uvjeta. Varijabilnost modifikacije ne utječe na genotip jedinki. Genotip, dok ostaje nepromijenjen, određuje granice unutar kojih se fenotip može mijenjati. Ove granice, tj. prilike za fenotipsko očitovanje svojstva nazivaju se norma reakcije I nasljeđuju se. Norma reakcije postavlja granice unutar kojih se određena karakteristika može promijeniti. Različiti znakovi imaju različite norme reakcije - široke ili uske. Na primjer, znakovi poput krvne grupe i boje očiju se ne mijenjaju. Oblik oka sisavaca malo varira i ima usku brzinu reakcije. Mliječnost krava može varirati u prilično širokom rasponu ovisno o uvjetima u kojima se pasmina drži. Druge kvantitativne karakteristike također mogu imati široku brzinu reakcije - rast, veličina lista, broj zrna u klipu itd. Što je norma reakcije šira, to pojedinac ima više mogućnosti za prilagodbu uvjetima okoline. Zbog toga je više osoba s prosječnom izraženošću osobine nego osoba s njezinom ekstremnom izraženošću. To dobro ilustrira broj patuljaka i divova kod ljudi. Malo ih je, dok je ljudi s visinom u rasponu od 160-180 cm tisućama puta više.
Fenotipske manifestacije svojstva pod utjecajem su kombinirane interakcije gena i uvjeta okoline. Modifikacijske promjene nisu naslijeđene, ali nisu nužno grupne prirode i ne pojavljuju se uvijek kod svih jedinki vrste u istim uvjetima okoliša. Preinake osiguravaju prilagodbu pojedinca tim uvjetima.
Nasljedna varijabilnost(kombinativni, mutacijski, neodređeni).
Kombinativna varijabilnost javlja se tijekom spolnog procesa kao rezultat novih kombinacija gena koje nastaju tijekom oplodnje, crossing overa, konjugacije, t.j. tijekom procesa praćenih rekombinacijama (preraspodjelom i novim kombinacijama) gena. Kao rezultat kombinacijske varijabilnosti nastaju organizmi koji se od svojih roditelja razlikuju po genotipovima i fenotipovima. Neke kombinacije kombinacija mogu biti štetne za pojedinca. Za vrstu su kombinacijske promjene, općenito, korisne, jer dovode do genotipske i fenotipske raznolikosti. Time se potiče opstanak vrsta i njihov evolucijski napredak.
Mutacijska varijabilnost povezana s promjenama u slijedu nukleotida u molekulama DNA, gubitkom i umetanjem velikih dijelova u molekulama DNA, promjenama u broju molekula DNA (kromosoma). Same takve promjene nazivaju se mutacije. Mutacije su naslijeđene.
Među mutacijama su:
– genetski– izazivanje promjena u sekvenci nukleotida DNA u specifičnom genu, a posljedično u mRNA i proteinu kodiranom ovim genom. Genske mutacije mogu biti dominantne ili recesivne. Mogu dovesti do pojave znakova koji podupiru ili koče vitalne funkcije tijela;
– generativni mutacije utječu na spolne stanice i prenose se tijekom spolnog razmnožavanja;
– somatski mutacije ne zahvaćaju spolne stanice i ne nasljeđuju se kod životinja, ali kod biljaka se nasljeđuju tijekom vegetativnog razmnožavanja;
– genomski mutacije (poliploidija i heteroploidija) povezane su s promjenama broja kromosoma u kariotipu stanica;
– kromosomski mutacije su povezane s preraspodjelom u strukturi kromosoma, promjenama u položaju njihovih dijelova kao rezultat lomova, gubitkom pojedinih dijelova itd.
Najčešće genske mutacije su one koje rezultiraju promjenom, gubitkom ili umetanjem nukleotida DNA u gen. Mutantni geni prenose različite informacije na mjesto sinteze proteina, a to zauzvrat dovodi do sinteze drugih proteina i pojave novih karakteristika. Mutacije mogu nastati pod utjecajem zračenja, ultraljubičastog zračenja i raznih kemijskih sredstava. Nisu sve mutacije učinkovite. Neki od njih se ispravljaju tijekom popravka DNK. Fenotipski, mutacije se pojavljuju ako ne dovode do smrti organizma. Većina genskih mutacija je recesivna. Fenotipski manifestirane mutacije imaju evolucijski značaj, dajući pojedincima ili prednosti u borbi za opstanak, ili, obrnuto, dovode do njihove smrti pod pritiskom prirodne selekcije.
Procesom mutacije povećava se genetska raznolikost populacija, čime se stvaraju preduvjeti za evolucijski proces.
Učestalost mutacija može se povećati umjetnim putem, što se koristi u znanstvene i praktične svrhe.
Varijabilnost je univerzalno svojstvo živih sustava povezano s promjenama fenotipa i genotipa koje nastaju pod utjecajem vanjske okoline ili kao posljedica promjena u nasljednom materijalu. Postoji nenasljedna i nasljedna varijabilnost.
Nenasljedna varijabilnost. Nenasljedni, ili grupni (određeni), odn modifikacijska varijabilnost– to su promjene fenotipa pod utjecajem okolišnih uvjeta. Varijabilnost modifikacije ne utječe na genotip jedinki. Genotip, dok ostaje nepromijenjen, određuje granice unutar kojih se fenotip može mijenjati. Ove granice, tj. prilike za fenotipsko očitovanje svojstva nazivaju se norma reakcije I nasljeđuju se. Norma reakcije postavlja granice unutar kojih se određena karakteristika može promijeniti. Različiti znakovi imaju različite norme reakcije - široke ili uske. Na primjer, znakovi poput krvne grupe i boje očiju se ne mijenjaju. Oblik oka sisavaca malo varira i ima usku brzinu reakcije. Mliječnost krava može varirati u prilično širokom rasponu ovisno o uvjetima u kojima se pasmina drži. Druge kvantitativne karakteristike također mogu imati široku brzinu reakcije - rast, veličina lista, broj zrna u klipu itd. Što je norma reakcije šira, to pojedinac ima više mogućnosti za prilagodbu uvjetima okoline. Zbog toga je više osoba s prosječnom izraženošću osobine nego osoba s njezinom ekstremnom izraženošću. To dobro ilustrira broj patuljaka i divova kod ljudi. Malo ih je, dok je ljudi s visinom u rasponu od 160-180 cm tisućama puta više.
Fenotipske manifestacije svojstva pod utjecajem su kombinirane interakcije gena i uvjeta okoline. Modifikacijske promjene nisu naslijeđene, ali nisu nužno grupne prirode i ne pojavljuju se uvijek kod svih jedinki vrste u istim uvjetima okoliša. Preinake osiguravaju prilagodbu pojedinca tim uvjetima.
Nasljedna varijabilnost(kombinativni, mutacijski, neodređeni).
Kombinativna varijabilnost javlja se tijekom spolnog procesa kao rezultat novih kombinacija gena koje nastaju tijekom oplodnje, crossing overa, konjugacije, t.j. tijekom procesa praćenih rekombinacijama (preraspodjelom i novim kombinacijama) gena. Kao rezultat kombinacijske varijabilnosti nastaju organizmi koji se od svojih roditelja razlikuju po genotipovima i fenotipovima. Neke kombinacije kombinacija mogu biti štetne za pojedinca. Za vrstu su kombinacijske promjene, općenito, korisne, jer dovode do genotipske i fenotipske raznolikosti. Time se potiče opstanak vrsta i njihov evolucijski napredak.
Mutacijska varijabilnost povezana s promjenama u slijedu nukleotida u molekulama DNA, gubitkom i umetanjem velikih dijelova u molekulama DNA, promjenama u broju molekula DNA (kromosoma). Same takve promjene nazivaju se mutacije. Mutacije su naslijeđene.
Među mutacijama su:
– genetski– izazivanje promjena u sekvenci nukleotida DNA u specifičnom genu, a posljedično u mRNA i proteinu kodiranom ovim genom. Genske mutacije mogu biti dominantne ili recesivne. Mogu dovesti do pojave znakova koji podupiru ili koče vitalne funkcije tijela;
– generativni mutacije utječu na spolne stanice i prenose se tijekom spolnog razmnožavanja;
– somatski mutacije ne zahvaćaju spolne stanice i ne nasljeđuju se kod životinja, ali kod biljaka se nasljeđuju tijekom vegetativnog razmnožavanja;
– genomski mutacije (poliploidija i heteroploidija) povezane su s promjenama broja kromosoma u kariotipu stanica;
– kromosomski mutacije su povezane s preraspodjelom u strukturi kromosoma, promjenama u položaju njihovih dijelova kao rezultat lomova, gubitkom pojedinih dijelova itd.
Najčešće genske mutacije su one koje rezultiraju promjenom, gubitkom ili umetanjem nukleotida DNA u gen. Mutantni geni prenose različite informacije na mjesto sinteze proteina, a to zauzvrat dovodi do sinteze drugih proteina i pojave novih karakteristika. Mutacije mogu nastati pod utjecajem zračenja, ultraljubičastog zračenja i raznih kemijskih sredstava. Nisu sve mutacije učinkovite. Neki od njih se ispravljaju tijekom popravka DNK. Fenotipski, mutacije se pojavljuju ako ne dovode do smrti organizma. Većina genskih mutacija je recesivna. Fenotipski manifestirane mutacije imaju evolucijski značaj, dajući pojedincima ili prednosti u borbi za opstanak, ili, obrnuto, dovode do njihove smrti pod pritiskom prirodne selekcije.
Procesom mutacije povećava se genetska raznolikost populacija, čime se stvaraju preduvjeti za evolucijski proces.
Učestalost mutacija može se povećati umjetnim putem, što se koristi u znanstvene i praktične svrhe.
PRIMJERI ZADATAKA
Dio A
A1. Modifikacijska varijabilnost se shvaća kao
1) fenotipska varijabilnost
2) genotipska varijabilnost
3) norma reakcije
4) sve promjene u svojstvu
A2. Navedite karakteristiku s najširom reakcijskom normom
1) oblik lastavičjih krila
2) oblik orlovskog kljuna
3) vrijeme za linjanje zeca
4) količina vune koju ovca ima
A3. Molimo navedite točnu izjavu
1) čimbenici okoliša ne utječu na genotip jedinke
2) ne nasljeđuje se fenotip, već sposobnost da se on manifestira
3) modifikacijske promjene se uvijek nasljeđuju
4) promjene modifikacije su štetne
A4. Navedite primjer genomske mutacije
1) pojava anemije srpastih stanica
2) pojava triploidnih oblika krumpira
3) stvaranje pasmine pasa bez repa
4) rođenje albino tigra
A5. Promjene u slijedu nukleotida DNA u genu su povezane
1) mutacije gena
2) kromosomske mutacije
3) genomske mutacije
4) kombinacijska prestrojavanja
A6. Nagli porast postotka heterozigota u populaciji žohara može biti posljedica:
1) povećanje broja genskih mutacija
2) stvaranje diploidnih gameta u određenog broja jedinki
3) kromosomske pregradnje u nekih pripadnika populacije
4) promjena temperature okoline
A7. Primjer je ubrzano starenje kože ruralnih stanovnika u usporedbi s urbanim
2) kombinacijska varijabilnost
3) mutacije gena pod utjecajem ultraljubičastog zračenja
4) modifikacijska varijabilnost
A8. Glavni uzrok kromosomske mutacije može biti
1) zamjena nukleotida u genu
2) promjena temperature okoline
3) poremećaj procesa mejoze
4) umetanje nukleotida u gen
Dio B
U 1. Koji primjeri ilustriraju varijabilnost modifikacije?
1) ljudski ten
2) madež na koži
3) debljina krzna kunića iste pasmine
4) povećanje mliječnosti kod krava
5) ljudi sa šest prstiju
6) hemofilija
U 2. Navedite događaje vezane uz mutacije
1) višestruko povećanje broja kromosoma
2) promjena poddlake zeca zimi
3) zamjena aminokiseline u proteinskoj molekuli
4) pojava albino u obitelji
5) rast korijenskog sustava kaktusa
6) stvaranje cista u protozoama
VZ. Povežite značajku koja karakterizira varijabilnost s njezinom vrstom
Dio C
C1. Na koji način se može postići umjetno povećanje učestalosti mutacija i zašto to treba učiniti?
C2. Pronađi pogreške u navedenom tekstu. Ispravi ih. Označite brojeve rečenica u kojima su napravljene pogreške. Objasnite ih.
1. Modifikacijska varijabilnost praćena je genotipskim promjenama. 2. Primjeri modifikacije su posvjetljivanje dlake nakon dugog izlaganja suncu, povećanje mliječnosti krava uz poboljšanu hranidbu. 3. Informacije o modifikacijskim promjenama sadržane su u genima. 4. Sve promjene modifikacije su naslijeđene. 5. Na manifestaciju modifikacijskih promjena utječu okolišni čimbenici. 6. Sve znakove jednog organizma karakterizira ista norma reakcije, t.j. granice njihove varijabilnosti.
Štetni učinci mutagena, alkohola, droga, nikotina na genetski aparat stanice. Zaštita okoliša od kontaminacije mutagenima. Identifikacija izvora mutagena u okoliš(posredno) i vrednovanje moguće posljedice njihov utjecaj na vlastito tijelo. Nasljedne bolesti čovjeka, njihovi uzroci, prevencija
Osnovni pojmovi i pojmovi koji se provjeravaju u ispitnom radu: biokemijska metoda, metoda blizanaca, hemofilija, heteroploidija, sljepoća za boje, mutageni, mutageneza, poliploidija.
