Лекции по "Биологии"

 

«Евгенус» - хороший род, знатный.

Гайтон (двоюродный брат Дарвина) –  основатель этого направления. Евгеника – составляющая часть медицинской  генетики.

 

ЛЕКЦИЯ №7

Наследственность. Структурные уровни организации наследственного материала.

 

1. Наследственность.
2. Структурные уровни организации наследственного материала.
3. Регуляция экспрессии генов.
4. Ген – единица наследственности.

 

Наследственность – свойство живых организмов, обеспечивающее материальную преемственность онтогенеза в определенных условиях внешней среды. Гены детерминируют последовательность полипептидной цепи.

Наследование – передача информации от одного поколения к другому. Благодаря наследственности стало возможно существование популяций, видов и других групп.

1953 год – расшифрована  структура молекулы ДНК.

Считается, что молекула ДНК составляет хромосому – унимолярная  теория (некоторые исследователи  предполагают, что несколько ДНК  образуют 1 хромосому). Почти вся  ДНК эукариот в ядре.

У бактерий – 4000000 нуклеотидов.

Из нескольких тысяч  состоят минихромосомы (плазмиды). К  плазмидам относят также ДНК  хлоропластов, митохондрий. Хорошо изучены  плазмиды бактерий.

R-фактор – фактор устойчивости к лекарствам (сульфамидные препараты, антибиотики). В плазмидах есть информация о специфических активных ферментах. Генов должно быть очень много. Происходит амплификация (умножение генетического материала). Она может происходить путем прокатывания и образования плазмид.

Плазмиды широко используются в генной инженерии. Они используются как носители чужеродной ДНК, поиски новых подходов к преодолению лекарственной устойчивости у бактерий.

Ген – участок молекулы ДНК, который несет информацию о структуре полипептидной цепи или макромолекулы. Гены одной хромосомы располагаются линейно, образую группу сцепления. ДНК в хромосоме выполняет разные функции. Существуют разные последовательности генов, есть последовательности генов, контролирующих экспрессию генов, репликацию и др. Есть гены, содержащие информацию о структуре полипептидной цепи, в конечном счете – структурных белках. Такие последовательности нуклеотидов длинной в один ген, называются структурными генами. Гены, определяющие место, время, длительность включения структурных генов – регуляторные гены.

Гены имеют маленький размер, хотя состоят из тысяч пар нуклеотидов. Наличие гена устанавливается по проявлению признака гена (конечному  продукту). Общую схему строения генетического аппарата и его  работы в 1961 году предложили Жакоб, Моно. Они предложил, что есть участок молекулы ДНК с группой структурных генов. К этой группе примыкает участок в 200пар нуклеотидов – промотор (участок примыкания ДНК зависимой РНК-полимеразы). К этому участку примыкает ген-оператор. Название всей системы – оперон. Регуляция осуществляется регуляторным геном. В итоге белок-репрессор взаимодействует с геном-оператором, и оперон начинает работать. Субстрат взаимодействует с геном регуляторами, оперон блокируется. Принцип обратной связи. Экспрессия оперона включается как единое целое.

Для Менделя, ген – только символ, удобный для определения закона наследования. Связь между геном  и признаком (продуктом) была открыта  при изучении брожения в безвоздушной среде – 1902 г Гаррод. Он изучал родословные  больных алкаптонурией, пришел к  выводу, что болезнь  - результат нарушения обмена азота, при этом. Вместо мочевины образуется темное вещество. При содействии Бэтса в 1908 году высказано предположение, что болезнь возникает у рецессивных гомозигот, у которых не хватает какой-то ферментативной реакции, что приводит к накоплению и выведению субстрата, который в норме должен был расщепиться. В крови людей содержится гомогентизиновая кислота, но в норме она расщепляется оксидазой гомогентизиновой кислоты до малеинацетата, затем до воды и углекислого газа. У больных нет оксидазы, поэтому происходит накопление кислоты и вывод ее с мочой.

Так же наследуется альбинизм, хотя встречается  гораздо чаще. При  этом заболевании отсутствует фермент, осуществляющий превращение тирозина в меланин.

До 1940 года мнение ученых разделялось, но теории не было.

1940 год  - Бидл и Татум предложили  гипотезу: 1 ген – 1 фермент. Эта  гипотеза сыграла важную роль  – ученые стали рассматривать  конечные продукты. Оказалось, что  гипотеза имеет ограничения, т.к.  все ферменты – белки, но не все белки – ферменты. Как правило, белки являются олигомерами – т.е. существуют в четвертичной структуре. Пример, капсула табачной мозаики имеет более 1200 полипептидов.

У эукариот экспрессия генов не исследована. Причина – серьезные препятствия:

-организация генетического материала  в форме хромосом

- у многоклеточных организмов  клетки специализированы и поэтому  часть генов выключена. 

- наличие гистоновых белков, в  то время как у прокариот  - «голая» ДНК.

Гистоновые и негистоновые белки  принимают участие в экспрессии генов, участвуют в создании структуры. Молекула ДНК имеет разные уровни компактизации.

Участки с 8 гистоновыми белками, являющиеся пространственной структурой(150-200) пар  нуклеотидов образуют глобулы диаметром10-11 нм. Во время интерфазы наблюдается нуклеосомный уровень, 8-10 нуклеосом объединяются и образуют сверхбусину. Метафазная хромонема скручивание в 10 тысяч раз. Гистоновые белки начинают продуцироваться в синтетическом периоде митоза. Срок существования (полусуществования) РНК гистоновых белков 13 минут синтез этих белков производится в ядре. Негистоновые белки синтезируются в цитоплазме, а затем переносятся в ядро. Гистоновые белки - факторы репрессии генов, негистоновые  - наоборот способствуют считыванию информации. Взаимодействие гистоновых и неегистоновых белков – механизм блокирования и разблокирования молекулы ДНК.

ДНК – макромолекула, она не может  выходить в цитоплазму из ядра и  передавать информацию. Синтез белка  возможен благодаря м-РНК. В эукариотической  клетке транскрипция происходит с огромной скоростью. Сначала возникает про-и-РНК или пре-и-РНК. Это объясняется тем, что у эукариот и-РНК образуется в результате процессинга (созревания). Ген имеет прерывистую структуру. Кодирующие участки – экзоны и некодирующие – интроны. Ген у эукариоических организмов имеет экзонно-интронную структуру. Длина интрона больше длины экзона. В процессе процессинга интроны «вырезаются» - сплайсинг. После образования зрелой и-РНК после взаимодействия с особым белком переходит в систему – информосому, которая несет информацию  в цитоплазму. Сейчас экзоно-интронные системы хорошо изучены (например, онкоген  - Р-53). Иногда интроны одного гена являются экзонами другого, тогда сплайсинг невозможен.

Процессинг и сплайсинг способны объединять структуры, удаленные друг от друга, в один ген, поэтому они имеют огромное эволюционное значение. Подобные процессы упрощают видообразование. Белки имеют блочную структуру. Например, фермент – ДНК-полимераза. Он представляет собой непрерывную полипептидную цепь. Он состоит из собственной ДНК-полимеразы и эндонуклеазы, которая расщепляет молекулу ДНК с конца. Фермент состоит из 2 доменов, которые образуют 2 независимые компактные частицы, связанные полипептидным мостиком. На границе между 2мя генами ферментов находится интрон. Когда-то домены были раздельными генами, а затем – сблизились.

Нарушения подобной структуры гена приводит к генным болезням. Нарушение  строения интрона фенотипически  незаметно, нарушение в экзонной последовательности приводят к мутации (мутации глобиновых генов).

Оставшаяся ДНК существует 13 минут, затем расщепляется и распадается  до нуклеотидов.

10-15% РНК в клетке  - транспортная  РНК. Есть комплементарные участки.  Есть специальный триплет –  антикодон, триплет, не имеющий  комплементарных нуклеотидов – ГГЦ. Взаимодействие 2 субъединиц рибосомы и и-РНК приводит к инициации. Имеются 2 участка – пектидильный и аминоацильный. Они соответствуют аминокислотам. Синтез полипептида происходит пошагово. Элонгация – процесс построения полипептидной цепи продолжается пока не дойдет до бессмысленного кодона, тогда происходит терминация. Оканчивается синтез полипептида, который затем поступает в каналы ЭПР. Субъединицы расходятся. В клетке синтезируются различные количества белка.

 

Современная теория/ концепция гена.

 

1. Ген – это часть молекулы ДНК, которая является функциональной единицей наследственной информации.
2. Ген занимает определенный участок в хромосоме – локус.
3. Внутри гена может происходить перекомбинация.
4. ДНК, входящая в состав гена способна к репарации.
5. Существуют гены: структурные, регуляторные и т.д.
6. Расположение триплетов комплиментарно аминокислотам (мутации со сдвигом рамки считывания).
7. Генотип, будучи дискретным (состоящим из отдельных генов) функционирует как единое целое.
8. Генетический код универсален.
9. Генетический код вырожден (для многих аминокислот существует более одного кодона – сайта)
10. Гены располагаются в хромосоме в линейном порядке и образуют группу сцепления. Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом (23 у человека или 24 с оговоркой на пол – х и у хромосомы).

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ №8

Геном. Генотип. Фенотип.

 

1. Фенотип как результат реализации генотипа в определенной среде.
2. Количественная и качественная специфика проявления генов в признаках.
3. Взаимодействие неаллельных генов.

 

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида. При оплодотворении геномы родителей объединяются и образуют клеточный генотип зиготы.

Генотип – совокупность всех генов организма (генетическая конституция). Из генотипа зиготы в процессе онтогенеза возникает много сотен различных клеточных фенотипов. Отдельные клеточные фенотипы формируют фенотип всего организма. Весь процесс жизни от образования зиготы до естественной смерти контролируется генами. Генотип постоянно испытывает воздействие внешней среды, он взаимодействует со средой, что приводит  к формированию всех признаков и свойств организма.

Фенотип – все признаки организма, формирующиеся в результате взаимодействия генотипа и среды. (Иогансен – 1803год) свойства любого организма зависят от генотипа и от среды, поэтому формирование организма – результат взаимодействия генетических факторов и факторов внешней среды.

Долгое время считалось, что  в зиготе находятся разные хромосомы  для разных клеток, однако теперь известно, что в зиготе имеется та же генетическая информация, что и во всех клетках данного организма. В специализированных клетках работают гены, характерные для функций данных клеток, а все остальные – до 95% - заблокированы. Каждая эмбриональная клетка потенциально может стать любой клеткой организма, т.е. специализироваться в любую сторону – полипотентные клетки. Каждая клетка организма способна дифференцироваться только по одному пути. Направление специализации определяется внешней средой (химическим окружением хромосом – цитоплазмой). На самых ранних этапах эмбриогенеза, генотип уже взаимодействует со средой. Взаимодействие удобно просматривать на примере глобиновых генов. До и после рождения эти гены работают неодинаково. В раннем эмбриогенезе включается ген, отвечающий за альфа-цепь гемоглобина (он активен на протяжении всей жизни), а ген, отвечающий за синтез бета-цепи, неактивен. Зато есть ген, отвечающий за синтез гамма-цепи. После рождения ген бета-цепи начинает работать, а гамма -  блокируется. Эти изменения связаны с особенностями дыхания. Фетальный гемоглобин легко доносит воздух до зародыша.

Фенотипическое проявление генотипа в зависимости Ио среды изменяется в пределах нормы реакции. От родителей  потомки получают специфические  типы химических реакций на разные условия среды. Совокупность всех химических реакций определят метаболизм – обмен веществ. Интенсивность обмена веществ варьирует в широких пределах. У каждого человека свои особенности обмена веществ, которые передается от поколения к поколению, и подчиняются законам Менделя. Различия в обмене веществ реализуются в конкретных условиях среды на уровне синтеза белка.

Дифференцированная реакция растений примулы в разных условиях окружающей среды. При обычной температуре 20-25 градусов и нормальном давлении – красные цветы, при повышенной температуре или давлении – белые цветы. Семена обладают теми же свойствами.

Муха – дрозофила имеет ген, формирующий замыкание крыльев  на спину. Если мух с мутантным  генов выводить  при температуре22-25 градусов, крылья загнуты. При более низкой температуре – нормальные крылья и лишь у некоторых – загнуты. Ген обуславливает синтез термочувствительного белка. Поэтому, обсыхая после выхода из куколки, при повышенной температуре происходит деформация крыльев.

 Никакие признаки не наследуются. Признаки развиваются на основе взаимодействия генотипа и среды. Наследуется только генотип, т.е. комплекс генов, который определяет норму биологической реакции организма, изменяющую проявление  и выраженность признаков в разных условиях среды. Таким образом, организм реагирует на свойства внешней среды. Иногда один и тот же ген в зависимости от генотипа и от условий внешней среды по-разному проявляет признак или меняет полноту выраженности.

Степень проявления фенотипа – экспрессивность. Образно ее можно сравнить со степенью тяжести болезни в клинической практике. Экспрессивность подчиняется законам распределения Гаусса (некоторые в малом или среднем количестве). В основе изменчивости экспрессивности лежат и генетические факторы, и факторы внешней среды. Экспрессивность – очень важный показатель фенотипического проявления гена. Количественно ее степень определяют, используя статистический показатель.

Генетический признак может  даже не проявляться в некоторых  случаях. Если ген есть в генотипе, но он вовсе не проявляется – он пенетрирован. (русский ученый Тимофеев-Рисовский 1927 год). Пенетрантность – количество особей (%), проявляющих в фенотипе данный ген, по отношению к количеству особей, у которых этот признак мог бы проявиться. Пенетрантность свойственна проявлению многих генов. Важен принцип – «все или ничего» - либо проявляется, любо нет.

- наследственный панкреатит –  80%

- вывих бедра – 25%

- пороки развития глаз

   - ретинобластома – 80%

   - отосклероз – 40%

   - колотокома – 10%

Хорея Гентингтона проявляется  в непроизвольном подергивании головы. Конечностей, постепенно прогрессирует  и приводит  к смерти. Может  проявиться в раннем постэмбриональном  периоде,  в зрелом возрасте или  не проявиться вообще. И экспрессивность, и пенетрантность поддерживаются естественным отбором, т.е. гены, контролирующие патологические признаки могут иметь разную экспрессивность и пенетрантность: заболевают не все носители гена, а у заболевших степень проявления будет различна. Проявление или неполное проявление признака, а так же его отсутствие зависит от среды и от модифицирующего действия других генов.