Біологічне значення спадкової та неспадкової мінливості. Спадкова мінливість: особливості та значення. хвороб та аномалій розвитку

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я РЕСПУБЛІКИ БІЛОРУСЬ

БІЛОРУСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПАТОЛОГІЧНОЇ ФІЗІОЛОГІЇ

С. А. Жадан, Т. Н. Афанасьєва, Ф. І. Вісмонт

РОЛЬ СПАДЩОСТІ У ПАТОЛОГІЇ

Навчально-методичний посібник

Мінськ БДМУ 2012

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СПАДЩОЇ ПАТОЛОГІЇ

Медична генетика та її завдання

Спадковість- це властивість живих істот та клітин організму передавати свої ознаки (анатомо-фізіологічні особливості) нащадкам. Вона забезпечує відносну стабільність виду. Матеріальними носіями спадкової інформації є гени – ділянки молекули ДНК.

Мінливість - властивість організму та його клітин, що виявляється у виникненні нових ознак.

У Нині відомо близько 2000 видів спадкової патології

і генетично детермінованих синдромів Число їх постійно зростає, щороку описуються десятки нових форм спадкових хвороб. Основними причинами, що сприяють збільшенню зростання спадкової патології, є:

- Значні успіхи медицини в лікуванні та попередженні багатьох інфекційних хвороб;

- Зростання забруднення навколишнього середовища мутагенними агентами;

- Збільшення середньої тривалості життя людини.

Поряд з цим удосконалення методів діагностики та успіхи молекулярної біології дозволяють виявляти генетичну природу низки серйозних захворювань, які раніше не пов'язувалися з аномаліями геному (наприклад, хромосомні хвороби).

Генетика - це наука про спадковість та мінливість організму. Розділ генетики, який займається вивченням спадковості та мінливості людини з погляду патології, називається медичною генетикою.

Основними завданнями медичної генетики є:

1. Вивчення спадкових форм патології, їхньої етіології, патогенезу, удосконалення діагностики, розробка методів профілактики та лікування.

2. Вивчення причин та механізмів спадково детермінованої схильності та резистентності до різних (у тому числі й інфекційної природи) захворювань.

3. Вивчення ролі та значення генетичного апарату у розвитку реакцій адаптації, компенсації та явищах декомпенсації.

4. Докладне всебічне вивчення процесів мутагенезу та антимутагенезу, їх роль розвитку хвороб.

5. Вивчення низки загальнобіологічних проблем: молекулярногенетичних механізмів канцерогенезу, ролі генетичного апарату в явищах тканинної несумісності, аутоімунних реакціях організму та ін.

Поняття про спадкову та вроджену патологію. Фенокопії

Поняття «спадкові хвороби» та «вроджені захворювання» далеко не однозначні.

Уродженими називають будь-які захворювання, що виявляються відразу після народження дитини. Вони можуть бути спадковими та неспадковими.

До числа спадкових хворобналежать лише ті, основу яких лежать структурні зміни у генетичному матеріалі. Одні з них клінічно виявляються вже в перші дні після народження, інші - в юнацькому, зрілому, а іноді й у похилому віці.

Неспадкові хворобиобумовлені дією несприятливих факторів середовища на плід, що розвивається, в період вагітності і не зачіпають його генетичний апарат.

Фенокопії, причини їх розвитку

У медичній генетиці виділяють ще одне поняття – фенокопії. Фенокопія є клінічний синдром, що виникає під впливом факторів зовнішнього середовища в період ембріонального розвитку, подібний за своїми проявами зі спадковим захворюванням, але має негенетичну природу виникнення. Наприклад, такі аномалії, як "вовча паща", "заяча губа", можуть бути і спадково обумовленими (синдром Патау), і неспадковими, що виникають внаслідок порушення ембріонального розвитку. Гіпотиреоз успадковується як аутосомно-рецесивна ознака, але може зустрічатися і як фенокопія у людей, які мешкають у районах, де Питна водабідна на йод. Рання глухота може успадковуватися як рецесивна або домінантна ознака, а може зустрічатися як фенокопія у дітей, народжених жінками, які перехворіли під час вагітності на краснуху.

Таким чином, фенокопії є захворюваннями, зовні схожими на спадкові хвороби, але не пов'язані зі зміною генотипу.

Причинами фенокопії можуть бути:

– кисневе голодування плода (внутрішньоутробна гіпоксія), що викликає розвиток серйозних дефектів структури мозку та черепа, мікроцефалію;

– ендокринні порушення в організмі вагітної жінки (імовірність народження хворої дитини у такої жінки приблизно в 2,5 рази вища);

– інфекційні захворювання вагітної жінки (токсоплазмоз, краснуха, сифіліс та ін), особливо в ранній період вагітності, що викликають у значному відсотку випадків (до 60–70 %) важкі потворності (мікроцефалію, глухонімоту, ущелину м'якого піднебіння та ін.);

– важка психічна травмата тривалі емоційні перенапруги жінки в період вагітності;

– лікарські препарати, що мають цитотоксичну або антиметаболічну дію;

– хронічний алкоголізм батьків (пороки розвитку у дітей непитущих батьків становлять близько 2%, у помірно питущих - до 9%, у сильно питущих - 74%) та ін.

Класифікація хвороб з урахуванням взаємовідносин спадкових та середовищних факторів у їх розвитку. Концепція

о пенетрантності та експресивності

У розвитку хвороби, як і у життєдіяльності здорового організму, беруть участь два основні фактори: впливи зовнішнього середовища

(зовнішній фактор ) та спадковість (внутрішній фактор).

З урахуванням частки внутрішнього і зовнішнього чинників у розвитку хвороби виділяють такі групи захворювань (Н. П. Бочков, 2002):

1. Власне спадкові хвороби. Причиною цих захворювань є аномалії у генетичному апараті клітини, тобто.мутації (генні, хромосомні та геномні). Середовище визначає лишепенетрантність (Частоту прояви аномального гена в популяції особин, що володіють даним геном)

і експресивність(Ступінь вираженості дії гена у конкретної особини). До цієї групи належать такі моногенно зумовлені захворювання, як алкаптонурія, фенілкетонурія, гепатоцеребральна дистрофія, гемофілія та ін., а також усі хромосомні хвороби.

2. Екогенетичні захворювання. Ця група спадкових хвороб зумовлена мутацією, дія якої проявляється лише при впливі на організм певного, специфічного для даного мутантного гена фактора зовнішнього середовища. Для цих хвороб і генетична, і середовище

складова представлені однофакторно: індивідуальний ген - специфічний до цього гена середовище. До таких захворювань відноситься, наприклад, серповидноклітинна анемія (напівдомінантно успадкована гемоглобінопатія). У гетерозиготних носіїв HbS гемолітичні кризи, що ведуть до анемії, виникають лише за умов гіпоксії чи ацидозу. При спадковій ферментопатії, пов'язаної з дефіцитом глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, аналогічну роль може відігравати застосування ліків-окислювачів, вживання кінських бобів, іноді вірусна інфекція.

3. Хвороби зі спадковою схильністю. Є результатом взаємодії генетичних та середовищних факторів, причому й ті, й інші численні. Іноді ці хвороби називають багатофакторними або мультифакторіальними. До них відноситься переважна кількість хвороб зрілого та похилого віку: гіпертонічна хвороба, атеросклероз, ішемічна хвороба серця, виразкова хвороба шлунка та 12-палий кишки, злоякісні новоутворення та ін.

Між другою та третьою групою хвороб немає чіткої різниці. Їх часто об'єднують в одну групу хвороб зі спадковою схильністю, розрізняючи моногенно та полігенно детерміновану схильність.

4. Хвороби, зумовлені чинниками середовища, від дії яких організм немає засобів захисту (екстремальні). Це різні травми

(механічна, електрична), хвороби, що виникають під дією іонізуючої радіації, опіки, відмороження, особливо небезпечні інфекції та ін. Генетичний фактор у цих випадках визначає лише тяжкість хвороби, її результат, у ряді випадків – ймовірність виникнення.

Класифікація спадкових форм патології

У У зв'язку зі складною природою спадкової патології існує два основних принципи її класифікації: клінічний та генетичний.

Клінічний принцип класифікації передбачає поділення спадкових форм патології залежно від органу чи системи, найбільш залучених до патологічного процесу. Відповідно до цього критерію виділяють спадково обумовлені захворювання нервової системи, хворобиопорно-руховогоапарату, шкіри, крові та ін.

В основу генетичної класифікаціїспадкових хвороб покладено етіологічний принцип, а саме тип мутацій та характер їхньої взаємодії з середовищем. Відповідно до цього критерію всю спадкову патологію можна поділити на групи:

1) генні хвороби,викликані генними мутаціями;

2) хромосомні хвороби,що виникають у результаті хромосомних чи геномних мутацій;

3) хвороби зі спадковою схильністю (багатофакторні)

- розвиваються в осіб з відповідним поєднанням «привертають» спадкових і «виявляють» зовнішніх факторів;

4) генетичні хвороби соматичних клітин;

5) хвороби генетичної несумісності матері та плода.

Кожна з цих груп, у свою чергу, підрозділяється відповідно до більш детальної генетичної характеристики та типу спадкування.

Етіологія спадкових форм патології. Мутації, їхні види. Поняття про мутагени

Окремі гени, хромосоми та геном в цілому постійно зазнають різноманітних змін. Незважаючи на те, що існують механізми репарації (відновлення) ДНК, частина ушкоджень та помилок зберігається. Зміни у послідовності та числі нуклеотидів у ДНК називають мутаціями.

Мутації - стійка стрибкоподібна зміна у спадковому апараті клітини, не пов'язана зі звичайною рекомбінацією генетичного матеріалу.

Усі мутації класифікують відповідно до кількох критеріїв. 1. Через виникненнярозрізняють спонтанні та індуковані

Спонтанні мутаціїце мутації, що виникли спонтанно під впливом природних мутагенів екзоїлі ендогенного походження. Причиною таких мутацій може бути космічне випромінювання, радіоактивні ізотопи, ендогенні хімічні мутагени (перекиси та вільні радикали – аутомутагени), що утворюються в організмі в процесі обміну речовин. Значну роль виникненні спонтанних мутацій грає вік. У чоловіків із віком у статевих клітинах накопичуються генні мутації. У жінок залежність генних мутацій від віку не відзначено, але виявлено чіткий зв'язок віку матері з частотою хромосомних захворювань у потомства.

Індуковані мутації -це мутації, спричинені спрямованим впливом на організм факторів різного походження – фізичних, хімічних чи біологічних мутагенів. Поширеність деяких мутагенів серед існування людини представлена в дод. 1.

До фізичним мутагенамвідносяться іонізуючі випромінювання (α-, β- і γ-промені, рентгенівське випромінювання, нейтрони) та УФ-випромінювання. Особливість іонізуючого випромінюванняполягає в тому, що воно може індукувати мутації.

в низьких дозах, які не викликають променевого ураження.

До хімічним мутагенамвідносять спирти, кислоти, важкі метали, солі та інші сполуки. Хімічні мутагени містяться в повітрі (миш'як, фтор, сірководень, свинець та ін.), ґрунті (пестициди та інші

хімікати), харчових продуктах, воді. Встановлено, що багато лікарських препаратів мають виражену мутагенну активність (додаток 2). Дуже сильним мутагеном є конденсат сигаретного диму, що містить бензпірен. Конденсат диму та поверхнева скоринка, що утворюються при обсмажуванні риби та яловичини, містять піролізати триптофану, які є хімічними мутагенами. Особливість хімічних мутагенів полягає в тому, що їхня дія залежить від дози та стадії клітинного циклу. Чим вища доза мутагену, тим сильніший мутагенний ефект.

До біологічним мутагенамвідносяться бактеріальні токсини, віруси кору, краснухи, грипу, герпесу, антигени деяких мікроорганізмів.

Основні медичні наслідки мутагенезу в різних типахклітин представлені на рис. 1.

2. За видом клітин, у яких відбулася мутація, виділяють гаметичні, соматичні та мозаїчні мутації.

Гаметичні мутаціївиникають у статевих клітинах. Вони успадковуються нащадками і, зазвичай, виявляються переважають у всіх клітинах організму. Їхні наслідки позначаються на долі потомства і спричиняють спадкові захворювання.

Мал. 1 . Медичні наслідки мутагенезу у різних типах клітин

Соматичні мутаціївиникають у соматичних клітинах, мають випадковий характер, можуть виникати на будь-якій стадії розвитку, починаючи з зиготи. У спадок не передаються.

Мозаїчні мутації- це мутації, що виникають у клітинах ембріона чи плода. Внаслідок цього виникають клітинні лінії з різними генотипами. Одні клітини організму мають нормальний каріотип, інші - аномальний. Чим раніше в онтогенезі відбувається соматична мутація, тим більше клітин містить цю мутацію і тим більше виражені її прояви.

3. За значенням розрізняють патогенні, нейтральні та сприятливі мутації.

Патогенні мутаціїпризводять до загибелі ембріона (або плода) або розвитку спадкових і вроджених захворювань. Вони поділяються на летальні, напівлетальні, нелетальні. Летальність може виявлятися лише на рівні гамет, зигот, ембріонів, плодів, і навіть після народження.

Нейтральні мутаціїзазвичай не впливають на життєдіяльність організму (наприклад, мутації, що викликають появу ластовиння на шкірі, зміна кольору волосся, райдужної оболонки ока).

Сприятливі мутаціїпідвищують життєздатність організму чи виду (наприклад, темне забарвлення шкірних покривів у жителів африканського континенту).

4 . Залежно від обсягу пошкодженого матеріалу мутації поділяються нагенні (Зміни в окремих генах),хромосомні (структурні хромосомні аберації),геномні (чисельні хромосомні аберації).

Антимутагенез. Механізми дії антимутагенів

Антимутагенез – це процес придушення спонтанних та індукованих мутацій. Речовини, які мають такі властивості, називаються антимутагенами. Деякі з них наведені у дод. 3.

Існують різні принципи класифікації антимутагенів:

1) за походженням: екзогенні та ендогенні, внутрішньоклітинні та позаклітинні;

2) механізму дії;

3) хімічної будови та антиканцерогенних властивостей.

До екзогенних відносять антимутагени:

– незамінні амінокислоти (метіонін, гістидин, аргінін, глютамінова кислота та ін);

– вітаміни та провітаміни (переважно А, Е, С, К);

– поліненасичені жирні кислоти;

– мікроелементи (Se), хлорид кобальту;

– харчові волокна;

2) що проникають в організм респіраторним шляхом (фітонциди);

3) що надходять в організм людини перорально в процесі фармакотерапії або профілактичного застосування:

– ліки (стрептоміцин, левоміцетин та ін., що застосовуються у малих

– спеціально синтезовані ліки (бемітіл);

– біологічно активні добавки(Індол-3-карбінол та ін);

– синтетичні антимутагени (іонол, дибунол та ін).

До ендогенних антимутагенів належать:

1) система репарації пошкодженої ДНК;

2) антиоксидантна система;

3) ферментні системи;

4) клітинні метаболіти;

5) гормони щитовидної залози, мелатонін;

6) ембріональні речовини (С);

7) S-вмісні сполуки (глутатіон).

Механізми дії антимутагенів

До основних механізмів дії антимутагенів належать:

1. Інактивація мутагенів зовнішнього походження та запобігання ДНК від їх ушкоджуючої дії(Дисмутагени). У більшості випадків дисмутагени стійко зв'язуються з мутагеном і виводять його з організму (екстракти петрушки, буряків, редиски, селери, сливи, чорниці, яблук).

2. Пригнічення процесу утворення істинних мутагенів із попередніх немутагенних речовин(вітаміни С, Е, дубильні речовини,

деякі феноли).

3. Пригнічення активності вільних радикалів, які можуть ушкоджувати ДНК(антиоксиданти: супероксиддисмутаза, глютатіонпероксидаза, каталаза, вітамін С, А,α-токоферол, β-каротин, Е, мелатонін та ін.).

4. Підвищення активності ферментних систем, що знешкоджують мутагени, канцерогени та інші генотоксичні сполуки. Універсальний механізм інактивації ксенобіотиків забезпечують мікросомальні ферменти печінки, які метаболізують до 75% усіх ліків.

5. Антимутагени, що зменшують помилки репарації та реплікації ДНК,

активація та корекція репарації (репарагени) . До репараційних

антимутагенам, які містяться в деяких харчових продуктах (наприклад, у кукурудзяній, бавовняній, соняшниковій, соєвій та інших рослинних оліях), відносяться:

– ванілін, ціанамальдегід та інші альдегіди, що утворюються при окисленні насичених жирних кислот. Ці речовини стимулюють генетичну рекомбінацію, тимчасово пригнічують поділ клітин, збільшуючи час репарації ДНК;

– солі кобальту, що підвищують ефективність безпомилкової репарації ДНК (містяться у достатній кількості в цибулі, капусті, томатах, салаті, картоплі, чорній смородині та грушах).

6. Антимутагени з невідомим механізмом дії.У Останніми рокамивстановлена поліфункціональність у деяких антимутагенів (фенольний компонент зеленого чаю – епігалокатехінгалат, ізоціанати з хрестоцвітих овочів – сульфоран та фенолізоціонат та ін.). Антимутагени виступають у ролі перехоплювачів вільних радикалів, пригнічують синтез метаболічної активації ксенобіотиків і стимулюють їх детоксикацію, модулюють репарацію ДНК, впливають на транскрипційні фактори та сигнальні шляхи, залучені в апоптоз і регуляцію клітинного циклу, пригнічують запалення та запалення.

Таким чином, до основних антимутагенів належать:

1) сполуки, що нейтралізують мутаген до реакції з молекулою

2) речовини, що знімають пошкодження молекули ДНК, викликане мутагеном, або підвищують її стійкість до мутагену;

3) сполуки, що перешкоджають перетворенню в організмі непрямих мутагенів на істинні.

ГЕННІ ХВОРОБИ

Генні хвороби - різнорідна за клінічними проявами група захворювань, зумовлених мутаціями генетично. Основою об'єднання в одну групу є етіологічна генетична характеристика і, закономірності успадкування у сім'ях і популяціях.

Етіологія генних хвороб

Причинами генних хвороб є генні мутації, які можуть торкатися структурні, транспортніі ембріональні білки,і навіть ферменти.

Генні мутації – це молекулярні зміни структури ДНК. Вони обумовлені зміною хімічної будовигена, а саме специфічної

Мінливість є процес, що відбиває взаємозв'язок організму із середовищем.

З генетичної точки зору мінливість є результатом реакції генотипу в процесі індивідуального розвиткуорганізму на умови довкілля.

Мінливість організміводна із головних чинників еволюції. Вона є джерелом для штучного і природного відборів.

Біологи розрізняють спадкову та неспадкову мінливість. До спадкової мінливості відносять зміни ознак організму, які визначаються генотипом і зберігаються у ряді поколінь. До неуспадкованої мінливості, яку Дарвін назвав певною, а тепер називають модифікаційної, або фенотиповою, мінливістю, відносять зміни ознак організму; не зберігаються при статевому розмноженні.

Спадкова мінливістьявляє собою зміну генотипу, неспадкова мінливість - Зміна фенотипу організму.

Протягом індивідуального життя організму під впливом факторів довкілля у нього можуть виникати два типи змін: в одному випадку змінюється функціонування, дія генів у процесі формування ознак, в іншому – сам генотип.

Ми познайомилися зі спадковою мінливістю, що виникає в результаті комбінацій генів та їхньої взаємодії. Комбінація генів здійснюється на основі двох процесів: 1) незалежного розподілу хромосом у мейозі та їх випадкового поєднання при заплідненні; 2) перехрестя хромосом та рекомбінацій генів. Спадкову мінливість, обумовлену комбінацією та рекомбінацією генів, прийнято називати комбінативною мінливістю. При цьому типі мінливості самі гени не змінюються, змінюються їх поєднання та характер взаємодії у системі генотипу. Однак цей тип спадкової мінливості слід розглядати як вторинне явище, а первинним слід вважати мутаційну зміну гена.

Джерелом для природного відборує спадкові зміни - як мутації генів, і їх рекомбінації.

Модифікаційна мінливість грає обмежену роль органічної еволюції. Так, якщо взяти вегетативні пагони від однієї й тієї ж рослини, наприклад суниці, і вирощувати їх у різних умовах вологості, температури, освітленості, на різних ґрунтах, то незважаючи на однаковий генотип, вони виявляться різними. Дія різних екстремальних факторів у них можна викликати ще більші відмінності. Однак насіння, зібране з таких рослин і висіяне в однакових умовах, дасть однотипне потомство, якщо не в першому, то в наступних поколіннях. Зміни ознак організму, спричинені дією факторів середовища в онтогенезі, зникають зі смертю організму.

Водночас здатність до таких змін, обмежена межами норми реакції генотипу організму, має важливе еволюційне — значення. Як показали А. П. Володимирський у 20-х роках, В. С. Церпников та І. І. Шмальгаузен у 30-х роках, у тому випадку, коли модифікаційні зміни пристосувального значення виникають при постійно діючих у ряді поколінь факторах середовища, які здатні викликати мутації, що визначають такі ж зміни, може виникнути враження спадкового закріплення модифікацій.

Мутаційні зміни обов'язково пов'язані з реорганізацією структур статевих і соматичних клітин, що відтворюються. Корінна відмінність мутацій від модифікацій зводиться до того, що мутації можуть точно відтворюватися в тривалому ряду клітинних поколінь, незалежно від умови середовища, в якому здійснюється онтогенез. Це тим, що виникнення мутацій пов'язані з зміною унікальних структур клітини - хромосомі.

З питання про роль мінливості в еволюції йшла тривала дискусія в біології у зв'язку з проблемою успадкування про благопридбаних ознак, висунутої Ж. Ламарком в 1809 р., частково прийнятої Ч. Дарвіним і підтримуваної ще досі біологів. Але абсолютна більшість вчених сама постановка цієї проблеми вважала ненауковою. При цьому необхідно сказати, що уявлення про те, що спадкові зміни в організмі виникають адекватно дії фактора середовища, абсолютно абсурдно. Мутації відбуваються у різних напрямах; вони не можуть бути пристосовними для самого організму, оскільки виникають у поодиноких клітинах

І їхня дія реалізується лише в потомстві. Не чинник, що викликав мутацію, лише відбір оцінює пристосувальне знання мутації. Оскільки напрямок і темп еволюції визначаються природним відбором, а останній контролюється багатьма чинниками внутрішнього та зовнішнього середовища, створюється хибне уявлення про початкову адекватну доцільність спадкової мінливості.

Відбір з урахуванням одиничних мутацій «конструює» системи генотипів, відповідальних вимогам тих постійно діючих умов, у яких є вид.

Термін « мутація»вперше був запропонований Г. де Фрізом у його класичній праці «Мутаційна теорія» (1901 -1903гг.). Мутацією він назвав явище стрибкоподібної, перервної зміни спадкової ознаки. Основні положення теорії де Фріза досі не втратили свого значення, і тому їх тут слід привести:

мутація виникає раптово, без жодних переходів;
нові форми цілком константні, тобто стійкі;
мутації на відміну від спадкових змін (флуктуацій) не утворюють безперервних рядів, не групуються навколо середнього типу (моди). Мутації є якісними змінами;
мутації йдуть у різних напрямках, можуть бути як корисними, і шкідливими;
виявлення мутацій залежить кількості особин, проаналізованих виявлення мутацій;
одні й самі мутації можуть виникати повторно.

Однак Г. де Фріз припустився принципової помилки, протиставивши теорію мутацій теорії природного відбору. Він неправильно вважав, що мутації можуть одразу давати нові види, пристосовані до зовнішнього середовища, без участі відбору. Насправді мутації є лише джерелом спадкових змін, які є матеріалом для відбору. Як переконаємося далі, мутація гена оцінюється відбором лише у системі генотипу. Помилка Г. де Фриза пов'язана, частково з тим, що мутації, що ним вивчалися, у енотери (Oenothera Lamarciana) згодом виявилися результатом розщеплення складного гібрида.

Але не можна не захоплюватися тим науковим передбаченням, яке зробив Г. де Фріз щодо формулювання основних положень мутаційної теорії та її значення для селекції. Ще 1901 р. він писав: «…мутація, саме мутування має стати об'єктом дослідження. І якщо нам колись вдасться з'ясувати закони мутування, то не тільки наш погляд на взаємну спорідненість живих нині організмів стане набагато глибшим, але ми сміємо також сподіватися, що має відкритися можливість так само добре володіти мутабільністю, як селекціонер панує над змінністю, варіабільністю. Звичайно, до цього ми прийдемо поступово, опановуючи окремі мутації, і це також принесе багато користі сільськогосподарській та садовій практиці. Багато чого, що здається тепер недосяжним, виявиться у нашій владі, якщо нам вдасться пізнати закони, на яких ґрунтується мутування видів. Очевидно, тут на нас чекає неоглядне поле наполегливої роботи високого значення як для науки, так і для практики. Це перспективна галузь панування над мутаціями». Як переконаємося далі, сучасне природознавство стоїть на порозі пізнання механізму мутації генів.

Теорія мутацій могла розвиватися лише після відкриття законів Менделя і встановлених у дослідах школи Моргана закономірностей зчеплення генів та його рекомбінації внаслідок кросинговера. Тільки з встановлення спадкової дискретності хромосом, теорія мутацій отримала основу для наукового дослідження.

Хоча нині питання природі гена з'ясовано остаточно, проте міцно встановлено ряд загальних закономірностей мутування гена.

Мутації генів виникають у всіх класів і типів тварин, вищих та нижчих рослин, багатоклітинних та одноклітинних організмів, у бактерій та вірусів. Мутаційна мінливість як процес якісних стрибкоподібних змін є загальною всім органічних форм.

Суто умовно мутаційний процес ділять на спонтанний та індукований. У тих випадках, коли мутації виникають під впливом звичайних природних факторів довкілля або в результаті фізіологічних та біохімічних змін у самому організмі, їх відносять до спонтанних мутацій. Мутації, що виникають під впливом спеціальних впливів (іонізуючої радіації, хімічних речовин, екстремальних умов тощо), називають індукованими. Принципових відмінностей між спонтанними та індукованими мутаціями немає, але вивчення останніх підводить біологів до оволодіння спадковою мінливістю та розгадкою таємниці гена.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

У нашій статті йтиметься про унікальну властивість всіх живих організмів, яка забезпечила виникнення величезної кількості видів живих істот. Це спадкова мінливість. Що це таке, якими є її особливості та механізм здійснення? На ці та багато інших питань ви зараз знайдете відповіді.

Що вивчає генетика

Порівняно молода наука генетика в 19-му столітті відкрила людству багато таємниць його походження та розвитку. А предметом її вивчення є лише дві властивості живих організмів: спадковість та мінливість. Завдяки першому забезпечується наступність поколінь та здійснюється точна передача генетичної інформаціїзагалом низці поколінь. А ось мінливість забезпечує виникнення нових ознак.

Значення мінливості

Навіщо ж організму набувати цих нових ознак? Відповідь досить проста: для можливості адаптації. На фото нижче перед вами представники кількох рас одного біологічного виду- Людина Розумна. Їх морфологічні відмінності цьому етапі немає, природно, ніякого пристосувального значення. А ось їхнім далеким предкам нові риси допомагали вижити у важких умовах. Так, представники монголоїдної раси мають вузький розріз очей, оскільки в степах часто були курні бурі. А негроїди мають темну шкіру як захист від палючих сонячних променів.

Види мінливості

Мінливістю називають властивість організмів набувати нових ознак у процесі їхнього історичного та індивідуального розвитку. Вона буває двох видів. Це модифікаційна та спадкова мінливість. Їх поєднує ряд ознак. Наприклад, неминуче виникають зміни у зовнішній будовіорганізмів. Але за тривалістю існування модифікацій і ступеня дії вони абсолютно відрізняються.

Модифікаційна мінливість

Цей вид мінливості є спадковим. Він не закріплюється в генотипі, не має постійного характеру і виникає під впливом змін умов навколишнього середовища. Яскравим прикладом модифікаційної мінливості може бути відомий досвід із кроликом. Йому збривали невелику ділянку сірої вовни. А на голу ділянку шкіри прикладали кригу. Через деякий час на цьому місці виростала шерсть білого кольору, яку також збривали. Але кригу в цьому випадку не прикладали. В результаті на цій ділянці знову виростало волосся темного кольору.

Спадкова мінливість

Даний вид мінливості має постійний характер, оскільки зачіпає структуру генотипу до рівня нуклеотидів ДНК. При цьому нові ознаки передаються новим поколінням. Спадкова мінливість, своєю чергою, також буває двох типів: комбінативна і мутаційна. Перша виникає у разі появи нового поєднання генетичного матеріалу. Її найпростішим прикладом є злиття гамет під час статевого розмноження. В результаті організм, отримуючи по половині генетичної інформації від чоловічого та жіночого організму, набуває нових ознак.

Другий вид – це мутаційна спадкова мінливість. Вона полягає у виникненні різких ненаправлених змін генотипу під впливом різних факторів. Ними можуть бути іонізуюче та ультрафіолетове випромінювання, висока температура, азотовмісні хімічні речовинита інші.

Залежно від рівня структури генетичного апарату, де відбуваються зміни, розрізняють кілька типів таких спадкових модифікацій. При геномних змінюється кількість хромосом у загальному наборі. Це веде до анатомічних та морфологічних змін в організмі. Так, поява третьої хромосоми у 21-й парі викликає хворобу Дауна. При хромосомних мутаціях з'являється перебудова цієї структури. Вони зустрічаються набагато рідше, ніж геномні. Ділянки хромосом можуть дублюватися або відсутні, перекручуватися, змінювати своє становище. А ось генні мутації, які також називають точковими, порушують послідовність мономерів у структурі нуклеїнових кислот.

Незалежно від виду мутацій, вони, як правило, не несуть для організму корисних ознак. Тому людина вчиться керувати ними штучно. Так, у селекції часто використовується поліплоїдія – кратне збільшення числа хромосом у наборі. В результаті рослина стає більш потужною і дає великі плоди в велику кількість. Нікого вже не здивуєш інжирним персиком та іншими смачними рослинними гібридами. Адже вони є результатом штучно проведеної спадкової мінливості.

Спадкова мінливість у процесі еволюції

Розвиток генетики допоміг зробити значний крок уперед та у розвитку еволюційного вчення. Той факт, що людину та мавпу відрізняє лише одна пара хромосом, став суттєвим доказом теорії Дарвіна. У рослин і тварин у історичному розвиткуможна простежити успадкування прогресивних рис, які передавалися та закріплювалися у генотипі. Наприклад, водорості вийшли на сушу завдяки тому, що в генотипі закріпилася ознака наявності механічної та провідної тканин. Кожне наступне покоління залишало собі лише необхідні, корисні ознаки, які коригувалися залежно та умовами проживання і навколишнього середовища. Так з'явилися панівні види рослин і тварин, що мають найпрогресивніші риси будови.

Отже, спадкова мінливість - це здатність організмів набувати нових ознак, які закріплюються в генотипі. Такі зміни мають тривалий характер, не зникають за зміни умов середовища проживання і передаються у спадок.

Мінливість– це загальна властивість живих систем, пов'язана із змінами фенотипу та генотипу, що виникають під впливом зовнішнього середовища або внаслідок змін спадкового матеріалу. Розрізняють неспадкову та спадкову мінливість.

Неспадкова мінливість. Неспадкова, або групова (певна), або модифікаційна мінливість– це зміни фенотипу під впливом умов довкілля. Модифікаційна мінливість не торкається генотипу особин. Генотип, залишаючись незмінним, визначає межі, у яких може змінюватись фенотип. Ці межі, тобто. можливості для фенотипічного прояву ознаки, що називаються нормою реакції і успадковуються. Норма реакції встановлює межі, у яких може змінюватись конкретна ознака. Різні ознаки мають різну норму реакції - широку або вузьку. Так, наприклад, такі ознаки як група крові, колір очей не змінюються. Форма ока ссавців змінюється незначно і має вузьку норму реакції. Подійність корів може варіювати у досить широких межах залежно від умов утримання породи. Широку норму реакції може мати й інші кількісні ознаки – зростання, розміри листя, кількість зерен на початку і т.д. Чим ширша норма реакції, тим більше можливостей особи пристосуватися до умов навколишнього середовища. Ось чому особин із середньою вираженістю ознаки більше, ніж особин із крайніми його виразами. Це добре ілюструється таким прикладом, як кількість карликів та гігантів у людей. Їх мало, тоді як людей зі зростанням у діапазоні 160-180 см у тисячі разів більше.

На фенотипічні прояви ознаки впливає сукупна взаємодія генів та умов довкілля. p align="justify"> Модифікаційні зміни не успадковуються, але не обов'язково носять груповий характер і не завжди проявляються у всіх особин виду, що знаходяться в однакових умовах середовища. Модифікації забезпечують пристосованість особини до цих умов.

Спадкова мінливість(Комбінативна, мутаційна, невизначена).

Комбінативна мінливістьвиникає при статевому процесі внаслідок нових поєднань генів, що виникають при заплідненні, кросинговері, кон'югації тобто. при процесах, що супроводжуються рекомбінаціями (перерозподілом та новими поєднаннями) генів. В результаті комбінативної мінливості виникають організми, що відрізняються від своїх батьків за генотипами та фенотипами. Деякі комбінативні зміни можуть бути шкідливими для окремої особи. Для виду ж комбінативні зміни, загалом, корисні, т.к. ведуть до генотипічної та фенотипічної різноманітності. Це сприяє виживанню видів та його еволюційному прогресу.

Мутаційна мінливістьпов'язана із змінами послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК, випадання та вставок великих ділянок у молекулах ДНК, змін числа молекул ДНК (хромосом). Самі такі зміни називаються мутаціями. Мутації успадковуються.

Серед мутацій виділяють:

– генні– викликають зміни послідовності нуклеотидів ДНК у конкретному гені, а отже в і-РНК та білку, що кодується цим геном. Генні мутації бувають як домінантними, і рецесивними. Вони можуть призвести до появи ознак, що підтримують або гнітять життєдіяльність організму;

– генеративнімутації торкаються статеві клітини і передаються при статевому розмноженні;

– соматичнімутації не торкаються статеві клітини і у тварин не успадковуються, а рослин успадковуються при вегетативному розмноженні;

– геномнімутації (поліплоїдія та гетероплоїдія) пов'язані зі зміною числа хромосом у каріотипі клітин;

– хромосомнімутації пов'язані з перебудовами структури хромосом, зміною становища їх ділянок, що у результаті розривів, випаданням окремих ділянок тощо.

Найбільш поширені генні мутації, у яких відбувається зміна, випадання чи вставка нуклеотидів ДНК у гені. Мутантні гени передають до місця синтезу білка вже іншу інформацію, а це, своєю чергою, веде до синтезу інших білків та виникнення нових ознак. Мутації можуть бути під впливом радіації, ультрафіолетового випромінювання, різних хімічних агентів. Не всі мутації виявляються ефективними. Частина виправляється при репараціях ДНК. Фенотипово мутації проявляються у тому випадку, якщо вони не призвели до загибелі організму. Більшість генних мутацій мають рецесивний характер. Еволюційне значення мають фенотипові мутації, що забезпечили особинам або переваги в боротьбі за існування, або навпаки, що спричинили їх загибель під тиском природного відбору.

Мутаційний процес підвищує генетичну різноманітність популяцій, що створює передумови для еволюційного процесу.

Частоту мутацій можна підвищувати штучно, що використовується в наукових та практичних цілях.

Спадкова мінливість(Комбінативна, мутаційна, невизначена).

Серед мутацій виділяють:

– генеративнімутації торкаються статеві клітини і передаються при статевому розмноженні;

– геномнімутації (поліплоїдія та гетероплоїдія) пов'язані зі зміною числа хромосом у каріотипі клітин;

Частоту мутацій можна підвищувати штучно, що використовується в наукових та практичних цілях.

ПРИКЛАДИ ЗАВДАНЬ

Частина А

А1. Під модифікаційною мінливістю розуміють

1) фенотипічну мінливість

2) генотипічну мінливість

3) норму реакції

4) будь-які зміни ознаки

А2. Вкажіть ознаку з найбільш широкою нормою реакції

1) форма крил ластівки

2) форма дзьоба орла

3) час линяння зайця

4) кількість вовни у вівці

А3. Вкажіть правильне затвердження

1) фактори середовища не впливають на генотип особини

2) успадковується не фенотип, а здатність до його прояву

3) модифікаційні зміни завжди успадковуються

4) модифікаційні зміни шкідливі

А4. Вкажіть приклад геномної мутації

1) виникнення серповидно-клітинної анемії

2) поява триплоїдних форм картоплі

3) створення безхвостої породи собак

4) народження тигра-альбіноса

А5. Зі зміною послідовності нуклеотидів ДНК у гені пов'язані

1) генні мутації

2) хромосомні мутації

3) геномні мутації

4) комбінативні перебудови

А6. До різкого підвищення відсотка гетерозигот у популяції тарганів може призвести:

1) збільшення кількості генних мутацій

2) утворення диплоїдних гамет у ряду особин

3) хромосомні перебудови у частини членів популяції

4) зміна температури навколишнього середовища

А7. Прискорене старіння шкіри у сільських жителів у порівнянні з міськими є прикладом

1) мутаційної мінливості

2) комбінаційної мінливості

3) генних мутацій під впливом ультрафіолетового випромінювання

4) модифікаційної мінливості

А8. Основною причиною хромосомної мутації може стати

1) заміна нуклеотиду у гені

2) зміна температури навколишнього середовища

3) порушення процесів мейозу

4) вставка нуклеотиду в ген

Частина В

В 1. Які приклади ілюструють модифікаційну мінливість

1) засмагу людини

2) родима пляма на шкірі

3) густота вовняного покриву кролика однієї породи

4) збільшення удою у корів

5) шестипалість у людини

6) гемофілія

В 2. Вкажіть події, що стосуються мутацій

1) кратне збільшення числа хромосом

2) зміна підшерстя у зайця взимку

3) заміна амінокислоти у молекулі білка

4) поява у сім'ї альбіноса

5) розростання кореневої системи у кактуса

6) освіта цист у найпростіших

ВЗ. Співвіднесіть ознаку, що характеризує мінливість із її виглядом

Частина С

З 1. Якими способами можна досягти штучного підвищення частоти мутацій і навіщо це потрібно робити?

С2. Знайдіть помилки у наведеному тексті. Виправте їх. Вкажіть номери пропозицій, у яких зроблено помилки. Поясніть їх.

1. Модифікаційна мінливість супроводжується генотипними змінами. 2. Прикладами модифікації є освітлення волосся після тривалого перебування на сонці, підвищення удойності корів при поліпшенні годівлі. 3. Інформація про модифікаційні зміни міститься в генах. 4. Усі модифікаційні зміни успадковуються. 5. На прояв модифікаційних змін впливають чинники довкілля. 6. Усі ознаки одного організму характеризуються однаковою нормою реакції, тобто. межами їхньої мінливості.

Шкідливий вплив мутагенів, алкоголю, наркотиків, нікотину на генетичний апарат клітини. Захист середовища від забруднення мутагеном. Виявлення джерел мутагенів у навколишньому середовищі(непрямо) та оцінка можливих наслідківїхнього впливу на власний організм. Спадкові хвороби людини, їх причини, профілактика

Основні терміни та поняття, що перевіряються в екзаменаційній роботі: біохімічний метод, близнюковий метод, гемофілія, гетероплоїдія, дальтонізм, мутагени, мутагенез, поліплоїдія.

Сергій Міхєєв - залізна логіка (відео) останній випуск

Долі ельцинської почту: забуття та кримінальність Руцької хасбулатів 1993