Мутации человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГУ «Средняя школа № 6 отдела образования акимата города Костаная»

Секция: биология

Мутации человека

Автор проекта

Коньшина Алена

ученица 10 «А» класса

Руководитель:

Мусина Т.Г.

учитель биологии

город Костанай 2013 г.

Содержание работы

Введение

1. Литературный обзор

2. Результаты исследования

2.1 Причины мутаций

2.2 Модели мутагенеза

2.3 Классификация мутаций

Выводы

Используемые источники

Приложения

Введение

Мутационный процесс является главным источником изменений, приводящим к различным патологиям. Задачи науки на ближайшие время определяются как уменьшения генетического груза путем предотвращения или снижения вероятности мутаций и устранения возникших в ДНК изменений с помощью генной инженерии. Генная инженерия - новое направление в молекулярной биологии, появившееся в последние время, которое может в будущем обратить мутации на пользу человеку, в частности, эффективно бороться с вирусами. Уже сейчас существуют вещества называемые антимутагены, которые приводят к ослаблению темпов мутирования. Успехи современной генетики находят применение в диагностики, профилактике и лечении ряда наследственных патологий. Так, в 1997 году в США была получена рекомбинативная ДНК. С помощью генной инженерии уже сконструированы искусственные гены инсулина, интерферона и других веществ.

Поэтому целью данной работы является: изучить мутации человека

На реализацию данной цели направлены задачи:

1. Изучить причины мутаций.

2. Изучить модели мутагенеза.

3. Изучить классификацию мутаций.

1. Литературный обзор

генетический мутация потомок

Наследственность - воспроизведение у потомков признаков предков - представляет собой одно из наиболее удивительных и существенных свойств всех живых организмов, от вирусов и бактерий до высших растений, животных и человека. Наука о наследственности - генетика (от греческого genesis - рождение, происхождение) показала, что наследственность обусловлена передачей потомкам генетической (наследственной) информации о всех (видовых и индивидуальных) свойствах данного организма. Одним из замечательных свойств наследственности является её консервативность, т.е. сохранение наследственных особенностей на протяжении многих поколений. Так, сходство предков и их потомков может сохраняться миллионы лет. Например, современные скорпионы сохранили множество сходных черт с силурийскими эвриптеризами и палеозойскими наземными скорпионами, первыми животными - обитателями суши.

Другим замечательным свойством наследственности является её изменчивость. Одних лишь животных, населяющих Землю, насчитывается свыше трёх миллионов видов. Если учесть многочисленные разновидности, а также породы домашних животных, сорта культурных растений и существующую индивидуальную изменчивость, то станет понятен грандиозный объём этого явления. Изменчивость может затрагивать разные части тела, различные органы и даже клетки. Консерватизм наследственности и её изменчивость неразрывно связаны друг с другом и в значительной мере определяют возможность процесса эволюции. Флора и фауна нашей планеты очень многообразна, и в процессе эволюции это многообразие возрастает. [3]

Предметом генетики - относительно молодой биологической дисциплины - является изучение наследственности и её изменчивости. Важнейшим понятием современной генетики является ген - основная единица наследственности. Гены, материально воплощённые в веществе наследственности - дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), определяют все наследственные особенности состава, строения и свойств данной особи, проявляющиеся у неё в процессе индивидуального развития.

Специфическая способность живых организмов передавать наследственную информацию от поколения к поколению основана на способности молекул нуклеиновых кислот к самовоспроизведению.[5]

Структурный ген представляет собой участок молекулы ДНК. У простейших организмов (прокариотов) - вирусов, бактерий, сине-зеленых водорослей - эти участки располагаются в одной гигантской молекуле ДНК. У высших организмов (эукариотов) - животных, растений, грибов - много гигантских молекул ДНК в составе хромосом клеточного ядра, в каждой из которых находятся структурные гены. Среди других естественных наук генетика занимает особое место, т.е. играет значительную роль для понимания биологии в целом, для медицины, сельского хозяйства и др.

Вероятно, ещё в глубокой древности человек стал подмечать, что потомство обычно бывает похоже на родителей. Уже тогда люди старались получать, например, телят от самой удойной коровы, сеять семена растений, давших самый высокий урожай. Люди понимали, что в потомстве сочетаются признаки предков. Это нашло отражение даже в пословицах, например: "От худого семени не жди доброго племени". Но закономерности, по которым те или иные признаки передаются потомству, оставались "тайной за семью печатями". Среди учёных к середине XIX в. прочно утвердилось мнение: "Закон наследственности заключается только в том, что никакого закона наследственности нет".

Поколебать устоявшееся убеждение решился Грегор Иоганн Мендель, монах и ботаник - любитель из Брюнна (Брно). После ряда опытов, кропотливых, но гениально точных, Мендель сформулировал в 1865 г. свои знаменитые законы. Они были настолько просты, что никто из биологов того времени не принял их всерьёз. Мендель опередил своё время более чем на 30 лет. Только в 1900 г. одновременно трое учёных в разных странах (Де Фриз - в Голландии, Корренс - в Германии, Черман - в Австрии) открыли заново законы наследственности, сформулированные Менделем.

В чём заключалась сущность менделевского открытия? Во времена Менделя считалось, что у потомства признаки родителей как бы разбавляются вдвое. Например, растения с красными и белыми цветками дадут потомство с розовыми цветками. И одна из заслуг Менделя заключалась в том, что он чётко показал: ничего подобного не происходит. Признаки никогда не сольются воедино. Один из них окажется более сильным (доминантным), другой - более слабым (рецессивным).[7]

2. Результаты исследований

2.1 Причины мутаций

Мутации делятся на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около -- на нуклеотид за клеточную генерацию.

Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций -- репликация ДНК, нарушения репарации ДНК, транскрипции и генетическая рекомбинация.

Связь мутаций с репликацией ДНК

Многие спонтанные химические изменения нуклеотидов приводят к мутациям, которые возникают при репликации. Например, из-за дезаминирования цитозина напротив него в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин, образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходиттранзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин).

Связь мутаций с рекомбинацией ДНК

Из процессов, связанных с рекомбинацией, наиболее часто приводит к мутациям неравный кроссинговер. Он происходит обычно в тех случаях, когда в хромосоме имеется несколько дуплицированных копий исходного гена, сохранивших похожую последовательность нуклеотидов. В результате неравного кроссинговера в одной из рекомбинантных хромосом происходит дупликация, а в другой -- делеция.

Связь мутаций с репарацией ДНК

Спонтанные повреждения ДНК встречаются довольно часто, такие события имеют место в каждой клетке. Для устранения последствий подобных повреждений имеется специальные репарационные механизмы (например, ошибочный участок ДНК вырезается и на этом месте восстанавливается исходный). Мутации возникают лишь тогда, когда репарационный механизм по каким-то причинам не работает или не справляется с устранением повреждений. Мутации, возникающие в генах, кодирующих белки, ответственные за репарацию, могут приводить к многократному повышению (мутаторный эффект) или понижению (антимутаторный эффект) частоты мутирования других генов. Так, мутации генов многих ферментов системы эксцизионной репарации приводят к резкому повышению частоты соматических мутаций у человека, а это, в свою очередь, приводит к развитию пигментной ксеродермы и злокачественных опухолей покровов. Мутации могут появляться не только при репликации, но и при репарации -- эксцизионной репарации или при пострепликативной.

2.2 Модели мутагенеза

В настоящее время существует несколько подходов для объяснения природы и механизмов образования мутаций. Общепринятой, в настоящее время, является полимеразная модель мутагенеза. Она основана на идее о том, единственной причиной образования мутаций являются случайные ошибки ДНК-полимераз. В предложенной Уотсоном и Криком таутомерной модели мутагенеза, впервые была высказана идея о том, что в основе мутагенеза лежит способность оснований ДНК находиться в различных таутомерных формах. Процесс образования мутаций рассматривается как чисто физико-химическое явление. Полимеразно--таутомерная модель ультрафиолетового мутагенеза опирается на идею о том, что при образовании циссин циклобутановых пиримидиновых димеров может изменяться таутомерное состояние входящих в них оснований. Изучается склонный к ошибкам и SOS-синтез ДНК, содержащей цис-син циклобутановые пиримидиновые димеры. Существуют и другие модели.

Полимеразная модель мутагенеза

В полимеразной модели мутагенеза считается, что единственной причиной образования мутаций являются спорадические ошибки ДНК-полимераз. Впервые полимеразная модель ультрафиолетового мутагенеза была предложена Бреслером. Он предположил, что мутации появляются в результате того, что ДНК-полимеразы напротив фотодимеров иногда встраивают некомплементарные нуклеотиды. В настоящее время такая точка зрения является общепринятой. Известно правило, согласно которому напротив поврежденных участков ДНК-полимераза чаще всего встраивает аденины. Полимеразная модель мутагенеза объясняет природу мишенных мутаций замены оснований.

Таутомерная модель мутагенеза

Уотсон и Крик предположили, что в основе спонтанного мутагенеза лежит способность оснований ДНК переходить при некоторых условиях в неканонические таутомерные формы, влияющие на характер спаривания оснований. Эта гипотеза привлекала к себе внимание и активно развивалась. Обнаружены редкие таутомерные формы цитозина в кристаллах оснований нуклеиновых кислот, облученных ультрафиолетовым светом. Результаты многочисленных экспериментальных и теоретических исследований однозначно говорят о том, что основания ДНК могут переходить из канонических таутомерных форм в редкие таутомерные состояния. Было выполнено много работ посвященных исследованиям редких таутомерных форм оснований ДНК. С помощью квантовомеханических расчетов и метода Монте-Карло было показано, что таутомерное равновесие в цитозин -- содержащих димерах и в гидрате цитозина сдвинуто по направлению к их имино формам как в газовой фазе, так и в водном растворе. На этой основе объясняется ультрафиолетовый мутагенез. В паре гуанин -- цитозин устойчивым будет только одно редкое таутомерное состояние, в котором атомы водородов первых двух водородных связей, отвечающих за спаривание оснований, одновременно изменяют свои положения. А поскольку при этом изменяются положения атомов водорода, участвующих в Уотсон-Криковском спаривании оснований, то следствием может быть образование мутаций замены оснований, транзиций от цитозина к тимину или образование гомологичных трансверсий от цитозина к гуанину. Участие редких таутомерных форм в мутагенезе обсуждалось неоднократно.

Другие модели мутагенеза

В работах Полтева с соавторами предложен и обоснован молекулярный механизм узнавания полимеразами комплементарных пар оснований нуклеиновых кислот. На основании этой модели были изучены некоторые закономерности спонтанного и индуцированного аналогами оснований мутагенеза. Объяснено образование мутаций замены оснований в предположении, что главной причиной мутагенеза является образование неканонических пар оснований, типа Хугстиновских пар.

Предполагается, что одной из причин образования мутаций замены основания является дезаминирование 5-метилцитозина, что может вызывать транзиции от цитозина к тимину. Из-за дезаминирования цитозина напротив него в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин, образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходит транзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин).

2.3 Классификация мутаций

Мутации бывают:

генеративными (происходят в половых клетках и в этом случае передаются последующим поколениям);

соматическими (происходят в любых других - соматических - клетках организма и в этом случае наследуются только при вегетативном размножении);

ядерными (затрагивают хромосомы ядра);

цитоплазматическими (затрагивают генетический материал, заключённый в цитоплазматических органоидах клетки - митохондриях, пластидах и т.п.).

В зависимости от характера изменений в генетическом материале различают следующие мутации: точковые, инсерции, хромосомные перестройки или аберрации, и мутации, заключающиеся в изменении числа хромосом.

Точковые мутации представляют собой вставки или выпадения, а также изменения (транзиции и трансверсии) пары нуклеотидов ДНК (или нуклеотида РНК). Они могут изменять функцию отдельных генов, а также нескольких соседних генов одного оперона в случае полярного эффекта, т.е. выключения всех генов, расположенных дистально от оператора по отношению к возникшей мутации (полярные мутации).

Инсерции - вставки молекул ДНК в ген, приводящие чаще всего к его инактивации или сильному полярному эффекту в оперонах.

Хромосомные перестройки возникают в основном, по-видимому, за счёт "незаконной" рекомбинации, т.е. рекомбинации негомологичных участков генетического материала. К ним относятся:

делеции, в том числе дефишенси (концевые нехватки хромосом);

инверсии, дупликации, транслокации, транспозиции - перемещения участков генетического материала, соизмеримых по длине с геном, между хромосомами или в пределах одной хромосомы.

Изменения числа хромосом в клетках организма могут быть кратными гаплоидному набору (анеуплоидия).

В зависимости от возникновения выделяют три главные группы мутаций: генные, хромосомные и геномные. К генным относят все точковые мутации, к геномным - изменения числа хромосом. Хромосомные аберрации могут быть отнесены как к генным, так и к хромосомным мутациям, в зависимости от размера участка, затрагиваемого аберрацией.

Если рассмотреть эти группы мутаций (генные, хромосомные и геномные) более подробно, то становится ясно следующее: мутировать может часть гена или весь ген целиком, благодаря чему ген может существовать в виде двух или многих аллелей. В опытах с дрозофилой получено множество генных мутаций, касающихся цвета глаз, тела, формы крыльев и других признаков. Однако, мутировать могут и более крупные единицы - части хромосом, целые хромосомы или даже геномы. Среди хромосомных мутаций встречаются два основных типа: межхромосомные мутации (транслокации) и структурные изменения хромосом (инверсии, делеции и дупликации). Примером хромосомной мутации может служить дупликация гена Bar - плосковидные глаза Ultra Bar у дрозофилы.

Генные (точковые) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть(делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно - клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соответствующий нормальный ген кодирует одну из полипептидных цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую (вместо глутамина - валин). Казалось бы, ничтожное изменение, но оно влечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно-клеточную форму, и уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма. Генные мутации приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. Наиболее вероятная мутация генов происходит при спаривании тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.

Хромосомные мутации приводят к изменению числа, размеров и организации хромосом, поэтому их иногда называют хромосомными перестройками. Хромосомные перестройки делятся на внутри- и межхромосомные. К внутрихромосмным относятся:

Дубликация - один из участков хромосомы представлен более одного раза.

Делеция - утрачивается внутренний участок хромосомы.

Инверсия - повороты участка хромосомы на 180 градусов.

Межхромосомные перестройки (их еще называют транслокации) делятся на:

Реципрокные - обмен участками негомологичных хромосом.

Нереципрокные - изменение положения участка хромосомы.

Дицентрические - слияние фрагментов негомологичных хромосом.

Центрические - слияние центромер негомологичных хромосом.

Хромосомные мутации проявляются у 1% новорожденных. Однако интересно, исследования показали, что нестабильность соматических клеток здоровых доноров не исключение, а норма. В связи с этим была высказана гипотеза о том, что нестабильность соматических клеток следует рассматривать не только как патологическое состояние, но и как адаптивную реакцию организма на измененные условия внутренней среды. Хромосомные мутации могут обладать фенотипическими явлениями. Наиболее распостраненный пример - синдром "Кошачьего крика" (плачь ребенка напоминает мяукание кошки). Обычно носители такой делеции погибают в младенчестве. Хромосомные мутации часто приводят к паталогическим нарушениям в организме, но в то же время хромосомные перестройки сыграли одну из ведущих ролей в эволюции. Так, у человека 23 пары хромосом, а у обезьяны - 24. Таким образом, различие составляет всего одна хромосома. Ученые предполагают, что в процессе эволюции произошла хотя бы одна перестройка. Подтверждением этого может служить и тот факт, что 17 хромосома человека отличается от такой же хромосомы шимпанзе лишь одной перецентрической инверсией. Такие рассуждения во многом подтверждают теорию Дарвина.

Последняя группа - геномные мутации, при некоторых происходит изменение числа хромосом. Главная отличительная черта геномных мутаций связана с нарушением числа хромосом в кариотипе. Эти мутации так же подразделяются на два вида: полиплоидные анеуплоидные.

Полиплоидные мутации ведут к изменению хромосом в кариотипе, которое кратно гаплоидному набору хромосом. Этот синдром впервые был лишь обнаружен в 60-ых годах. Вообще полиплодия характерна в основном для человека, а среди животных встречается крайне редко. При полиплоидии число хромосом в клетке насчитывается по 69 (триплодие), а иногда и по 92 (тетраплодие) хромосомы. Такое изменение ведет практически к 100 % смерти зародыша. Триплодие имеет не только многочисленные пороки, но и приводит к потере жизнеспособности. Тетраплодие встречается еще реже, но так же зачастую приводит к летальному исходу.

Полиплоидия - наличие в клетках увеличенного в кратное число раз гаплоидного набора. Полиплоидия может быть естественной и искусственной и придавать возникающим особям новые свойства и качества. Среди животных как в естественных, так и в искусственных условиях, полиплоидия наблюдается сравнительно редко. Зато в мире растений полиплоидия широко распространена. Около трети видов растений, произрастающих на нашей планете - полиплоиды. Почти все культурные растения, в том числе и цветы, украшающие наши сады, тоже полиплоиды. В эволюции растений полиплоидия являлась как стимулятором, так и тормозом прогресса. Многие древние растения, например, древовидные папоротники, магнолии и др., были полиплоидами. Мутации могут изменять поведение, коснуться любых физиологических особенностей и затрагивать строение особи. Большинство изученных мутаций касается именно изменения морфологических признаков. Существуют биохимические мутации, которые выражаются в изменении какого-либо фермента.

Анеуплоидные же мутации приводят к изменению числа хромосом в кариотипе, некратное гаплоидному набору. В результате такой мутации возникают особи с аномальным числом хромосом. Как и триплодия, анеуплодия часто приводит к смерти еще на ранних этапах развития зародыша. Причиной же таких последствий является утрата целой группы сцепления генов в кариотипе.

В цело же, механизм возникновения геномных мутаций связан с патологией нарушения нормального расхождения хромосом в мейозе, в результате чего образуются аномальные гаметы, что и ведет к мутации. Изменения в организме связаны с присутствием генетически разнородных клеток. Такой процесс называется мозаицизм.

Геномные мутации одни из самых страшных. Они ведут к таким заболеваниям, как синдром Дауна (трисомия, возникает с частотой 1 больной на 600 новорожденных), синдром Клайнфельтера и др.

По влиянию на жизнеспособность особи мутации могут быть летальными, полулетальными, сублетальными, снижающими в большей или меньшей степени жизнеспособность организма. Большинство из мутаций вредны для организма, нередко мутантный ген может обусловить наследственное заболевание, уродство или даже гибель развивающегося организма. Могут быть мутации практически нейтральные в данных условиях, прямо не влияющие на жизнеспособность.

Очень редко возникают генные мутации, улучшающие те или иные свойства (полезные мутации). Именно они дают основной материал для естественного и искусственного отбора, являясь необходимым условием эволюции в природе и селекции полезных форм растений, животных и микроорганизмов.

Мутации различают по способу их возникновения: спонтанные и индуцированные. Спонтанные (случайные) - мутации, возникающие при нормальных условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов (биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его родителей он отсутствует. Проведенное в Дании исследование показали, что примерно одна из 24000 гамет несет в себе доминантную мутацию. Ученый же Холдейн рассчитал среднюю вероятность появления спонтанных мутаций, которая оказалась равна 5*10-5 за поколение. Другой ученый Курт Браун предложил прямой метод оценки таких мутаций, а именно: число мутаций разделить на удвоенное количество обследованных индивидов.

Индуцированный мутагенез - это искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих излучений вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым. Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая зависимость мутаций. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия. В конце сороковых годов открыли существование мощных химических мутагенов, которые вызывали серьезные повреждения ДНК человека для целого ряда вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов на человека может служить эндомитоз - удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без расхождения хромосом.

Выводы

Изучая данную проблему, я выяснила, что она является актуальной, поскольку связана с изучением состояния здоровья людей.

В результате исследования было выяснено, что мутационный процесс является главным источником изменений, приводящим к различным патологиям.

Используемые источники

Биология / Сост. З.А. Власовой. - М., Филологическое общество "Слово", Компания "Ключ-С", ТКО АСТ, Центр гуманитарных наук при факультете журналистики МГУ им. М.В. Ломоносова, 1995 г. - 576 с.

Биология. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. М.В. Гиларов. - 3-е изд. - М., Большая Российская энциклопедия, 1998. - 864 с., ил., 30 л цв.ил.

Заяц Р.Г. и др. Пособие по биологии для абитуриентов / Р.Г. Заяц, И.В. Рачковская, В.М. Стамбровская. - 4-е изд. - Минск, Высшая школа, 1998 - 510 с.

Учебное пособие по основам генетики / И.П. Карузина. - М., Медицина, 1976. - 224 с., ил.

Энциклопедия для детей: т. 2 Биология. - 4-е изд., испр. - М., Аванта Плюс, 1997. - 668 с., ил.

Основы генетики человека Н.Н. Приходченко, Т.П. Шкурат. "Феникс" 1997 г.

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика 3 тома. М., "Мир", 1988 г.

Приложение 1

Нерасхождение Х-хромосом в овогенезе

Приложение 2

Классификация мутаций

Размещено на Allbest.ru