Биология: общие вопросы

3

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ВВЕДЕНИЕ

Термин «биология» впервые был предложен французским ученым Ж.Б. Ламарком в 1802 году. Этот термин состоит из двух слов греческого происхождения: bios - жизнь; logos - учение. Таким образом, биология - это учение о жизни.

Биология - наука, изучающая закономерности возникновения и развития жизни на Земле.

Что же такое «жизнь»?

Впервые научное определение жизни было дано Ф. Энгельсом в 1878 году:

«Жизнь - это есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных этих тел».

«...жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей средой, причем с прекращением этого обмена прекращается и жизнь».

Из определения жизни, данного Ф. Энгельсом, вытекают три положения:

Материальным субстратом (носителем) жизни являются белковые тела (под "белковым телом" он понимал не белки, а сложные химические образования).

Жизнь рассматривается как особая форма движения материи, которая заключается в обмене веществ.

Подчеркивается неразрывная связь живых существ с окружающей средой.

Определение жизни Энгельса не утратило своей актуальности и по сей день. Однако за период времени, прошедший с тех пор, учеными было сделано много открытий в области биологии и других наук, которые позволили глубже понять сущность жизни. В частности, удалось уточнить субстрат жизни. Сегодня под материальным носителем (субстратом) жизни понимают комплекс, состоящий из двух биополимеров: белков и нуклеиновых кислот.

С точки зрения кибернетики, живые организмы рассматриваются как открытые саморегулирующиеся системы, которые обмениваются с окружающей средой тремя потоками: вещества, энергии и информации.

Для характеристики живых организмов как открытых систем используется 2-й закон термодинамики, согласно которому в неживой природе разнообразные процессы идут всегда в одном направлении - все виды энергии переходят в конечном итоге в тепловую, которая равномерно распределяется между всеми телами, т.е. происходит увеличение энтропии. Поэтому энтропию рассматривают как меру упорядоченности (структурированности) живых систем.

Все живые организмы имеют низкую энтропию, так как обладают высокой структурированностью на протяжении всей жизни. Снижение энтропии в живых организмах достигается за счет постоянного извлечения энергии из окружающей среды. При этом энтропия в окружающей среде повышается.

Академик В.И. Вернадский рассматривал жизнь как явление биосферное: «Вне биосферы мы жизнь научно не знаем и ее проявления научно не видим».

Профессор М.М. Камшилов, основываясь на учении Вернадского, характеризует жизнь как биотический круговорот веществ, а живые организмы выступают в качестве отдельных звеньев этого круговорота.

Свойства жизни (фундаментальные):

самообновление;

самовоспроизведение;

саморегуляция.

На этих трех свойствах основаны все проявления жизни:

обмен веществ и энергии;

строгая упорядоченность биохимических реакций во времени и пространстве;

структурированность живых объектов;

раздражимость - способность давать ответную реакцию на действие факторов внешней среды;

размножение;

гомеостаз;

наследственность и изменчивость;

индивидуальное и филогенетическое развитие;

дискретность и целостность.

Уровни организации жизни

Несмотря на огромное многообразие форм проявлений жизни, ученые выделяют несколько уровней ее организации. Каждый уровень организации жизни характеризуется специфическими элементарными структурами и специфическими элементарными явлениями.

Молекулярно-генетический уровень

На этом уровне наблюдается удивительное однообразие структур и явлений. Белки всех живых организмов построены из 20 одних и тех же аминокислот. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), углеводы и липиды также имеют у всех живых организмов сходное строение.

Единицей наследственной информации является ген - определенная последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Специфические элементарные явления этого уровня: самоудвоение (репликация) молекулы ДНК, изменение строения молекулы ДНК (мутация), способность передачи информации с помощью матричного синтеза.

Клеточный уровень

Элементарной структурой является клетка, а элементарными явлениями - реакции клеточного обмена веществ.

Онтогенетический уровень

Элементарной структурной единицей является отдельная особь, или организм. Организм рассматривается на протяжении всего периода его существования (онтогенеза).

Элементарное специфическое явление - процесс реализации наследственной информации, закодированной в молекулах ДНК, в признаки и свойства отдельной особи, протекающий в определенных условиях окружающей среды (процесс превращения генотипа в фенотип).

Популяционно-видовой уровень

Элементарной единицей этого уровня является популяция. Популяция - форма существования любого вида.

В качестве элементарного специфического явления на этом уровне выступает элементарное эволюционное явление - длительное изменение генотипического состава (генофонда) популяции, которое возникает в результате действия на популяцию элементарных эволюционных факторов: естественного отбора, популяционных волн, изоляции, мутационного процесса, дрейфа генов.

Биогеоценотический уровень

Элементарной специфической единицей этого уровня является биогеоценоз - исторически сложившееся на определенной территории сообщество животных и растительных организмов, тесно взаимодействующее с окружающей его средой.

Элементарные специфические явления - круговорот веществ и превращение энергии в биогеоценозах.

Биосферный (глобальный) уровень

Этот уровень объединяет все предыдущие уровни. Все круговороты веществ отдельных биогеоценозов составляют единый глобальный круговорот веществ.

Наиболее общие методы, используемые в биологии

Описательный (самый древний). Состоит в описании существующих проявлений жизни, собирании фактов.

Сравнительный. Основан на изучении сходства путем сопоставления отдельных организмов.

Исторический. Выясняет закономерности появления и развития организмов в становлении отдельных систем, органов и тканей.

Экспериментальный. Основан на постановке экспериментов. Позволяет изучать те или иные явления вне организма (изолированно).

Философской основой познания является метод диалектического материализма. Согласно этому методу, все явления в природе следует рассматривать в неразрывной связи, в развитии, в динамике. Данный метод вскрывает причинно-следственные связи.

Место биологии в системе подготовки врача

Врач, академик И.В. Давыдовский писал: «Медицина, взятая в плане общей теории, - это прежде всего биология». Такое утверждение основано на следующем.

1. Развитие медицины во многом связано с достижениями в области биологии:

Исследования Луи Пастера (1862) показали невозможность самопроизвольного зарождения жизни. Он доказал, что гниение и брожение происходят благодаря наличию микроорганизмов. На основе исследований Пастера возникло в хирургии учение об асептике и антисептике.

Исследования И.И. Мечникова (1845 - 1916), изучавшего внеклеточное пищеварение у кишечнополостных, позволили открыть фагоцитоз и стали основой для создания учения об иммунитете.

Д.И. Ивановский (1864 - 1920) открыл вирус табачной мозаики и положил начало вирусологии и изучению целой группы заболеваний, вызываемых вирусами.

М. Шлейден и Т. Шванн создали клеточную теорию и положили тем самым начало изучению патологии на клеточном уровне.

2. Объектом медицины является человек - существо биолого-социальное. Все структуры и функции человека являются результатом длительного исторического развития предшествующих форм жизни, поэтому многие пороки его развития имеют филогенетическую обусловленность. Следовательно, врачи должны хорошо представлять филогенез всех систем органов человека.

3. Известно более 4000 заболеваний, которые имеют отношение к наследственности полностью или частично. Поэтому врач должен хорошо знать закономерности наследственности и изменчивости, которые изучаются в курсе биологии.

4. Здоровье человека сегодня в большой степени зависит от состояния окружающей среды. Наука, изучающая взаимодействие организма с окружающей средой, - экология - также является частью биологии.

5. В курсе биологии изучаются закономерности регенерации и трансплантации, которые должны знать врачи всех специальностей.

6. Раздел практической медицины - медицинская паразитология - изучается только в курсе биологии.

7. На основе биологических наук возникли и развиваются медицинские науки. Так, на базе анатомии, цитологии и гистологии возникла патологическая анатомия; на базе физиологии, иммунологии и биохимии - патологическая физиология; физиология и биохимия послужили основой терапии.

ГЕНЕТИКА

Генетика - наука, которая изучает закономерности наследственности и изменчивости.

Наследственность - свойство всех живых организмов передавать особенности своего строения и развития потомкам.

Изменчивость - свойство всех живых организмов изменять наследственную информацию, полученную от родителей, а также процесс ее реализации в ходе индивидуального развития (онтогенеза). Изменчивость - это свойство, противоположное наследственности.

Эти два понятия тесно связаны друг с другом.

Термин «генетика» впервые был предложен в 1906 году английским ученым У. Бэтсоном, однако история развития этой науки своими корнями уходит в далекое прошлое.

Всю историю развития генетики можно условно разделить на четыре этапа:

Существование умозрительных гипотез о природе наследственности.

Открытие основных законов наследственности.

Изучение наследственности на клеточном уровне.

Изучение наследственности на молекулярном уровне.

Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала

В наследственной структуре клетки и организма в целом выделяют три уровня организации генетического материала: генный, хромосомный и геномный.

Генный уровень

Наименьшей (элементарной) единицей наследственного материала является ген.

Ген - это часть молекулы ДНК, имеющая определенную последовательность нуклеотидов и представляющая собой единицу функционирования наследственного материала.

Ген несет информацию о конкретном признаке или свойстве организма.

У человека имеется около 30 тысяч генов.

Изменение в структуре гена ведет к изменению соответствующего признака. Следовательно, на генном уровне обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальная изменчивость признаков.

Хромосомный уровень

Все гены в клетке объединены в группы и располагаются в хромосомах в линейном порядке. Каждая хромосома уникальна по набору входящих в нее генов. В состав хромосом входят ДНК, белки (гистоновые и негистоновые), РНК, полисахариды, липиды и ионы металлов.

Хромосомный уровень в эукариотических клетках обеспечивает характер функционирования отдельных генов, тип их наследования и регуляцию их активности. Он позволяет закономерно воспроизводить и передавать наследственную информацию в процессе деления клетки.

Геномный уровень

Геном - совокупность всех генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом. При оплодотворении два генома родительских гамет сливаются и образуют генотип.

Генотип - совокупность всех генов, заключенных в диплоидном наборе хромосом, или кариотипе. Кариотип - полный набор хромосом, характеризующийся у каждого вида их строго определенным числом и строением.

Геномный уровень отличается высокой стабильностью. Он обеспечивает сложную систему взаимодействия генов. Результатом взаимодействия генов друг с другом и с факторами внешней среды является фенотип.

Молекулярные основы наследственности

Ген как элементарная единица наследственной информации выполняет определенные функции и обладает определенными свойствами.

Функции генов:

хранение наследственной информации;

управление биосинтезом белка и других веществ в клетке;

контроль за развитием и старением клетки.

Свойства генов:

дискретность: один ген контролирует один признак;

специфичность: каждый ген отвечает строго за свой признак;

стабильность структуры: гены передаются из поколения в поколение не изменяясь;

дозированность действия: один ген определяет одну дозу фенотипического проявления признака;

способность к мутированию (изменению структуры);

способность к репликации (самоудвоению);

способность к рекомбинации (переходу из одной гомологичной хромосомы в другую).

Функциональная классификация генов

Все гены делятся на три группы:

cтруктурные - контролируют развитие признаков путем синтеза соответствующих ферментов;

регуляторные - управляют деятельностью структурных генов;

модуляторные - смещают процесс проявления признаков в сторону его усиления или ослабления, вплоть до полной блокировки.

Особенности строения генов у прокариотических и эукариотических клеток

Клетки в природе делятся на прокариотические и эукариотические. У прокариот ген имеет непрерывную структуру, т.е. представляет собой часть молекулы ДНК.

У эукариот ген состоит из чередующихся участков: экзонов и интронов. Экзон - информативный участок, интрон - неинформативный. Число интронов у разных генов неодинаково (от 1 до 50).

Экспрессия (проявление действия) гена в процессе синтеза белка

Весь процесс синтеза белка условно делится на три этапа: транскрипция,процессинг и трансляция.

Транскрипция

Транскрипция - процесс переписывания информации с молекулы ДНК на и-РНК. Протекает в ядре.

Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Каждая нить представлена последовательностью нуклеотидов, а каждый нуклеотид состоит из углевода (пентозы), азотистого основания и остатка фосфорной кислоты.

Каждая нить молекулы ДНК имеет два конца - гидроксильный (3) и фосфатный (5). Нити расположены по отношению друг к другу антипараллельно.

Синтез и-РНК в клетке всегда идет от фосфатного конца к гидроксильному. Поэтому матрицей для транскрипции служит одна нить ДНК, обращенная к синтезирующему ферменту своим гидроксильным концом; она называется кодогенной, или информативной (а другая нить, соответственно, некодогенной, или неинформативной).

Транскрипция делится на три периода:

инициация,

элонгация,

терминация.

Инициация -

начало синтеза и-РНК.

Синтез и-РНК осуществляется при помощи фермента - РНК-полимеразы. У прокариот имеется только один вид этого фермента, у эукариот - пять видов. Сущность инициации состоит в том, что фермент РНК-полимераза отыскивает в молекуле ДНК стартовую область - промотор и прикрепляется к ней. Это происходит в течение 15-20 секунд.

Элонгация -

синтез молекулы и-РНК из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности: аденину соответствует урацил, а цитозину - гуанин. За 1 секунду выстраивается около 50 нуклеотидов. Синтез и-РНК одновременно протекает в нескольких участках молекулы ДНК. Образующиеся фрагменты называются транскриптоны. В последующем они объединяются.

Терминация -

завершение синтеза и-РНК.

Происходит тогда, когда РНК-полимераза встречается с особым участком молекулы ДНК - терминатором.

У прокариот в роли терминатора выступают участки молекулы ДНК, имеющие «симметричное» строение - они одинаково читаются в обе стороны от центра. Такие участки называются палиндромами. Фрагмент и-РНК, синтезированный на таком участке, в последующем складывается вдвое в виде шпильки. Образование "шпильки"является сигналом для завершения синтеза и-РНК. У эукариот "шпильки" не образуются. Вероятно, терминация у них протекает иначе.

Процессинг

Процессинг включает целый ряд преобразований и-РНК, необходимых для ее нормального функционирования:

Образование колпачка (КЭПа) на фосфатном конце.

Колпачок - это трифосфонуклеозид, содержащий гуанин. С помощью колпачка и-РНК отыскивает в цитоплазме малую субъединицу рибосомы.

Метилирование азотистых оснований.

Удаление части нуклеотидов на гидроксильном конце.

Присоединение на гидроксильном конце poli-А (100-200 остатков адениловой кислоты). Это образование выполняет стабилизирующую функцию и обеспечивает транспорт и-РНК из ядра в цитоплазму.

Сплайсинг - процесс удаления интронов и сшивания экзонов.

Ядерная и-РНК является точной матрицей молекулы ДНК. Она содержит как экзоны, так и интроны, поэтому называется незрелой, или юной. После прохождения сплайсинга она становится зрелой.

Сплайсинг присущ только эукариотам. Возможен также альтернативный сплайсинг: из одной и той же ядерной (незрелой) и-РНК вырезаются разные участки, в результате чего образуются разные зрелые и-РНК.

Зрелая и-РНК имеет следующий вид:

5 3

КЭП - 1 - АУГ - 2 - 3 - 4 - poli-A

Здесь КЭП - "колпачок", 1 - лидирующий участок, АУГ - стартовый кодон, 2 - экзоны (их может быть много), 3 - кодон-терминатор, 4 - трейлер, poli-А - 100-200 остатков адениловой кислоты.

Лидирующий участок взаимодействует в последующем с рибосомальной РНК, а трейлер определяет местоположение и-РНК в цитоплазме и продолжительность ее функционирования.

Такая и-РНК выходит из ядра в цитоплазму, где осуществляется следующий этап - трансляция.

Трансляция

Трансляция - это процесс считывания информации с молекулы и-РНК на молекулу белка. Подобно транскрипции, трансляция протекает в три стадии:

инициация,

элонгация,

терминация.

Инициация

И-РНК своим кэпированным (фосфатным) концом отыскивает малую субъединицу рибосомы. Лидирующая последовательность соединяется с рибосомальной РНК. При этом стартовый кодон АУГ попадает в недостроенный пептидильный (П) участок рибосомы. (Как известно, в рибосоме имеется два активных участка: П - пептидильный и А - аминоацильный.) Далее к стартовому кодону присоединяется т-РНК, несущая аминокислоту метионин. Только после этого субъединицы рибосомы объединяются, и на этом инициация заканчивается.

Элонгация

Заключается в синтезе полипептида из свободных аминокислот, которые доставляются транспортными РНК. Аминокислота обязательно сначала должна попасть в аминоацильный центр - «центр узнавания». Скорость присоединения аминокислот у прокариот и эукариот разная: за одну секунду присоединяется две аминокислоты у эукариот и 16-17 - у прокариот.

Терминация

Терминация наступает тогда, когда в аминоацильный центр поступает один из трех кодонов-терминаторов - УАА, УАГ, УГА. Таким триплетам не соответствует ни одна аминокислота, поэтому они называются еще нонсенс-кодонами. К последней аминокислоте присоединяется вода, и карбоксильный конец полипептидной цепочки отсоединяется от рибосомы.

На этом синтез белка завершается.

Поскольку у про- и эукариот принципиальной разницы в механизме биосинтеза белка нет, то можно предположить, что данный механизм сформировался очень давно, еще до разделения клеток на два типа.

Следует также иметь в виду, что в синтезе белка принимает участие множество факторов инициации, элонгации, терминации - как белковой, так и небелковой природы.

Регуляция экспрессии генов

Регуляция генной активности в клетках может происходить на всех этапах экспрессии - от репликации ДНК до посттрансляционных процессов. Рассмотрим регуляцию на уровне транскрипции.

Впервые принцип регуляции на уровне транскрипции был установлен французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 году. Свои исследования они проводили на кишечной палочке. Кишечная палочка при попадании в среду, содержащую молочный сахар лактозу, вырабатывает фермент лактазу. Если же лактозы нет, то фермент не вырабатывается. Каким же образом клетка управляет процессом синтеза лактазы? Ответ на этот вопрос дает предложенная Жакобом и Моно модель оперона. Опероном называется функциональная система, состоящая из структурных и регуляторных генов.

В приведенной ниже схеме lac-оперона Р - ген-регулятор; П - промотор; О - ген-оператор; Z, Y, A - структурные гены, причем ген Z отвечает за выработку фермента лактазы, ген Y кодирует фермент, осуществляющий активный транспорт лактозы в клетку, а ген А хотя и находится здесь, однако никакого отношения к расщеплению лактозы не имеет.

Ген-регулятор кодирует синтез белка-репрессора. Репрессор в химическом отношении очень активен и поэтому в свободном состоянии не существует, он обязательно должен вступить с чем-нибудь в связь. Если в окружающей среде нет лактозы, то репрессор вступает в связь с оператором, блокируя его. В этом случае РНК-полимераза не может прикрепиться к промотору (т.к. мешает репрессор). Без фермента РНК-полимеразы не происходит синтез и-РНК на структурных генах и, следовательно, на рибосомах не идет синтез фермента лактазы.

Если же в окружающей среде появляется лактоза, то репрессор связывается с ней и освобождает ген-оператор. При отсутствии репрессора в области гена-оператора фермент РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет синтез и-РНК на структурных генах. Далее и-РНК поступает на рибосомы, где осуществляется синтез фермента лактазы. Последняя будет расщеплять молочный сахар лактозу. Такое состояние в клетке будет длиться до тех пор, пока не исчезнет лактоза. После этого репрессор снова связывается с оператором и тем самым останавливает процесс синтеза фермента лактазы.

Данный принцип регуляции называется принципом индукции. Индуктором в данном случае является молочный сахар - лактоза, т.к. ее появление ведет к запуску синтеза фермента.

Возможен и другой принцип регуляции синтеза белка - принцип репрессии. Он также имеет место у кишечной палочки. В этом случае появление продуктов реакции не запускает, а тормозит процесс синтеза фермента.

Исходно белок-репрессор находится в неактивной форме, поэтому он ни с чем не вступает в связь. Оператор свободен, и РНК-полимераза производит синтез и-РНК на структурных генах. Далее и-РНК поступает на рибосомы, где синтезируются соответствующие ферменты. Ферменты расщепляют субстрат до определенных продуктов, которые в свою очередь активируют репрессор (взаимодействуя с ним). Активированный репрессор вступает в связь с оператором, блокируя его. Нахождение репрессора в области оператора ведет к остановке процесса транскрипции на структурных генах и, соответственно, к прекращению синтеза ферментов на рибосомах. Необходимо отметить, что активация репрессора происходит только тогда, когда продуктов реакции накопится определенное количество (достаточно большое!).

По такому принципу в кишечной палочке функционируют два оперона:

his-оперон, содержащий 9 структурных генов и регулирующий синтез аминокислоты гистидин;

trip-оперон, содержащий 5 структурных генов и регулирующий синтез аминокислоты триптофан.

У эукариот принцип оперонной регуляции не обнаружен. Активность каждого гена у них регулируется несколькими генами-регуляторами, кодирующими, соответственно, несколько регуляторных белков. Эти белки связываются с определенными участками в молекуле ДНК. Один из таких участков находится перед промотором и называется препромоторным элементом; другие области лежат вдали от промотора и носят названия энхансеров (усилителей) и глушителей. В результате связывания регуляторных белков с этими участками происходит включение и выключение структурных генов.

Система выработки регуляторных белков - «многоэтажная». Главные регуляторные белки отвечают за выработку второстепенных. Важная роль в регуляторных процессах принадлежит также гормонам (часто они являются индукторами транскрипции) и белкам гистоновой природы.

Разновидности генов

Наряду с приведенной ранее функциональной классификацией генов существуют и другие их разновидности: псевдогены, онкогены и мобильные гены.

Псевдогены (ложные гены) - нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, сходные по строению с известными генами, но утратившие функциональную активность.

Онкогены - нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, присутствующие в хромосомах нормальных клеток, способные активизироваться под влиянием факторов внешней среды и продуцировать белки, вызывающие рост опухолей.

Мобильные (прыгающие) гены - гены, не имеющие постоянной локализации не только в хромосоме, но и в пределах хромосомного набора клетки. Понятно, что перемещения генов влияют на их экспрессию - ранее не активные гены могут активизироваться, и наоборот. Некоторые ученые считают, что эти гены играют важную роль в эволюции. Видимо, возникновение таким путем отдельных видов (в результате переноса информации от вида к виду) действительно возможно.

В последние десятилетия в генетике появилось еще одно новое понятие - «семейство генов», или «мультигенное семейство». Это группа генов, имеющих сходное строение, общее происхождение и выполняющих сходные функции. Число генов в разных семействах может колебаться от нескольких единиц до нескольких тысяч.

У человека имеются семейства генов, кодирующие

б- и - глобиновые белки гемоглобина;

иммуноглобулины;

актины и миозины;

белки, определяющие тканевую несовместимость;

гистоновые белки.

Организация генов мультигенных семейств может быть разной. Так, семейства актиновых и миозиновых генов разбросаны по всему геному. Семейства генов, кодирующих - и - глобиновые белки, сосредоточены в одной хромосоме и образуют генные кластеры (так называют семейства генов, расположенных в одной хромосоме).

Генные кластеры возникли в результате дупликации (удвоения) отдельных генов. Таким образом, возникновение генных кластеров есть отражение эволюционного процесса.

Генотип и фенотип.

Качественная и количественная специфика проявления генов в признаки

Генотип - это совокупность всех генов в диплоидном наборе хромосом.

Фенотип - совокупность всех внешних и внутренних признаков и свойств организма, которые формируются в результате взаимодействия генотипа с окружающей средой.

Впервые ответ на вопрос о том, как ген реализуется в признак, дали американские ученые Г. Бидл и Е. Татум в 1941 году. Они сформулировали гипотезу, которая получила название: «один ген - один фермент». Суть ее состоит в том, что один ген контролирует в клетке синтез одного белка, а поскольку все ферменты состоят из белков, то, следовательно, один ген отвечает за синтез одного фермента.

Этот процесс протекает под постоянным влиянием факторов внешней среды. Конечный результат будет зависеть от уровня, на котором действует фактор. Если фактор подействует на уровне гена, то возникающие в фенотипе изменения будут передаваться по наследству. Действие факторов на всем остальном протяжении этой цепочки приведет к ненаследственным изменениям фенотипа, а также к фенокопиям.

Фенокопия - фенотипическая копия наследственного признака или заболевания. Фенокопии по наследству не передаются. Например, возможна фенокопия глухонемоты. Она может возникнуть в том случае, когда женщина в период беременности переболеет коревой краснухой. При этом вирус проникает через плаценту в организм плода и нарушает у него процесс формирования слуховых косточек, что в последующем ведет к глухонемоте. В то же время существует глухонемота, которая определяется патологическим геном и передается по наследству. Другой пример - фенокопия кретинизма. Кретинизм - это наследственное заболевание, в основе которого лежит гипофункция щитовидной железы. Фенокопия кретинизма возникает в условиях недостаточного поступления йода с пищей. Вследствие образования после травмы рубца в головном мозге может возникнуть фенокопия наследственного заболевания эпилепсии.

Наряду с фенокопиями выделяют и генокопии - сходные изменения фенотипа, обусловленные мутациями разных неаллельных генов. Так, гемофилия - несвертываемость крови - может быть вызвана отсутствием в организме разных факторов, которые кодируются разными генами. Хромосомные болезни человека часто сопровождаются бесплодием и умственной отсталостью, однако в каждом конкретном случае изменения могут быть со стороны разных хромосом. Существует две формы глухоты, которые контролируются разными неаллельными генами.

Установление врачом фенокопий важно для прогнозирования рождения в данной семье здорового ребенка. Раскрытие механизма возникновения генокопии позволяет выбрать правильный путь лечения.

Поскольку путь от гена до признака длинный, то наличие гена в генотипе еще не означает, что он проявится фенотипически. Пробиваемость гена в признак - пенетрантность. Пенетрантность равна отношению числа индивидов с данным признаком к общему числу индивидов, имеющих в генотипе данный ген. Принято выражать эту величину в процентах.

Пенетрантность зависит как от внутренних (генотип), так и от внешних факторов (внешняя среда). Рассмотрим это влияние на конкретных примерах.

1. В основе заболевания подагры лежит отложение солей мочевой кислоты в суставах, что ведет к тугоподвижности и появлению болей при движении. Это заболевание определяется доминантным геном. Однако проявление гена в признак будет зависеть как от генотипа, так и от факторов внешней среды. Влияние генотипа: пенетрантность у женщин равна нулю (ХХ половые хромосомы), у мужчин пенетрантность - 20% (ХY половые хромосомы). Влияние внешней среды: пробиваемости гена подагры в признак способствует злоупотребление виноградными винами и мясная пища.

2. Одна из форм шизофрении определяется доминантным геном. Влияние генотипа: пенетрантность у гомозигот (АА) составляет 100%, у гетерозигот (Аа) - 20%. Влияние внешней среды: возникновению заболевания у гетерозигот способствуют факторы, ведущие к перенапряжению центральной нервной системы (стрессовые ситуации, частые конфликты в семье, коллективе; умственное переутомление и т.п.).

Существует еще одна важная характеристика проявления гена в признак - экспрессивность, т.е. степень выраженности признака. Например, серповидноклеточная анемия у гомозигот протекает тяжело, они погибают в раннем возрасте; у гетерозигот - значительно легче, отмечается только одышка при тяжелой работе. В семье, где все страдают брахидактилией (укороченные пальцы), степень укорочения пальцев может быть разная.

Знание пенетрантности и экспрессивности имеет важное практическое значение в работе врача, т.к. появляется возможность предупреждения возникновения наследственного заболевания путем рекомендации пациенту соответствующего образа жизни.

Иногда один ген может контролировать сразу несколько признаков. Это явление носит название плейотропии, или множественного действия гена. Так, у овец один ген контролирует окраску шерсти и степень развития рубца (отдел желудка). У человека примером плейотропии является генетически обусловленный синдром Марфана, при котором один ген вызывает подвывих хрусталика, аневризму (расширение) аорты и нарушения со стороны опорно-двигательного аппарата.

В заключение приведем современный взгляд на гипотезу Г. Бидла - Е. Татума "один ген - один фермент". В целом она верна, однако имеется немало примеров, которые показывают, что один ген может контролировать синтез нескольких ферментов. Это возможно в двух случаях:

1. Наличие у ферментов общих субъединиц. Пример: один ген кодирует ферменты сахарозоизомальтазу, сахаразу, изомальтазу.

2. Существование белкового сплайсинга, т.е. явления, когда ген определяет один полипептид, из которого в последующем удаляются разные участки и, следовательно, формируются разные белки. Так, в клетках мозга человека из белка препродинофрина образуются три типа нейрогормонов: энкефалины, эндорфины и динорфины.

Поэтому на современном уровне знаний данная гипотеза может быть сформулирована следующим образом: «один ген - один полипептид».

Взаимодействие генов

Генотип - это не простая сумма генов, а сложная система взаимодействующих между собой дискретных единиц наследственной информации.Так, у крупного рогатого скота признак окраски шерсти контролируется 12 парами генов, у мухи дрозофилы признак окраски глаз - 20 парами генов. Даже в самом простом варианте в определении признака участвуют как минимум два гена.

Наряду с функциональной классификацией генов они подразделяются еще на аллельные и неаллельные.

Аллельными называются гены, которые определяют контрастирующие (альтернативные) свойства одного признака и расположены в гомологичных хромосомах в одном и том же локусе.

Полное доминирование

При полном доминировании действие одного гена (одного аллеля) из аллельной пары полностью скрывает присутствие в генотипе другого гена (аллеля). Фенотипически проявляемый ген называется доминантным и обозначается - А; подавляемый ген называется рецессивным и обозначается - а.

Впервые это явление открыто Г. Менделем в опытах на горохе. Признаки, подчиняющиеся законам Менделя, называются менделирующими.

Г. Мендель сформулировал три закона:

I - закон единообразия;

II - закон расщепления;

III - закон независимого наследования (расщепления).

Два первых закона относятся к моногибридному скрещиванию, третий - к ди- и полигибридному скрещиванию.

Неполное доминирование

Неполное доминирование имеет место в том случае, когда доминантный ген (аллель) не полностью скрывает присутствие в генотипе рецессивного гена (аллеля), и у гетерозигот наблюдается промежуточный характер наследования признака.

Пример: окраска цветков у ночной красавицы. Доминантные гомозиготные растения (АА) имеют красные цветки, рецессивные гомозиготные (аа) - белые, а гетерозиготные (Аа) - розовые.

Пример у человека - серповидноклеточная анемия, в основе которой лежит мутация гена, приводящая к замене в белке гемоглобина одной из 287

аминокислот - валина - на глутаминовую кислоту. В результате меняется строение гемоглобина и эритроциты приобретают форму серпа, что ведет к кислородной недостаточности. Гомозиготные организмы погибают в раннем возрасте, а гетерозиготы жизнеспособны, но страдают одышкой при физической нагрузке.

Сверхдоминирование

Сверхдоминирование имеет место в том случае, когда фенотипическое проявление доминантного гена в гетерозиготном состоянии сильнее, чем в гомозиготном:

Aa > AA.

Пример - гетерозис, или явление гибридной силы, когда гибриды первого поколения обладают резко выраженными фенотипическими признаками (в последующих поколениях проявление этих признаков ослабевает).

Кодоминирование

Кодоминирование - проявление в гетерозиготном состоянии признаков, кодируемых обоими аллельными генами.

Примеры: гены нормального и серповидноклеточного гемоглобина; наследование у человека IV группы крови (AB). В то же время группы крови являются примером множественного аллелизма.

Множественный аллелизм - наличие в генофонде популяции более двух аллельных генов.

Пример. Окраска шерсти у кроликов определяется четырьмя аллельными генами: A, ach, ah, a.

A - ген, определяющий черную окраску (дикий тип);

ach - ген шиншилловой окраски;

ah - ген гималайской окраски;

a - ген белой окраски.

Характер их взаимодействия: A > ach > ah > a.

Группы крови человека по системе АВО кодируются тремя аллельными генами: IA, IB, I0.

Группа крови Генотип

0 (I) I0 I0

А (II) IA I0, IA IA ;

B (III) IB I0, IB IB;

AB (IV) IA IB (фенотипически проявляется действие обоих аллельных генов - явление кодоминирования).

Межаллельная комплементация

Межаллельная комплементация - вид взаимодействия аллельных генов, при котором возможно формирование нормального признака у организма, гетерозиготного по двум мутантным аллелям этого гена.

Пример: D - ген, кодирующий синтез белка с четвертичной структурой (например, глобин в гемоглобине). Четвертичная структура состоит из нескольких полипептидных цепей. Мутантные гены - D и D - определяют синтез измененных белков (каждый своего). Однако при объединении этих цепей в четвертичной структуре образуется белок с нормальными свойствами:

D + D = D.

Аллельное исключение

Аллельное исключение - вид взаимодействия аллельных генов, при котором в разных клетках одного и того же организма фенотипически проявляются разные аллели. В результате возникает мозаицизм.

Пример: фенотипическое проявление аллельных генов, расположенных в Х-хромосоме женского организма. В норме в каждой клетке женщины из двух Х-хромосом функционирует только одна. Другая находится в плотном спирализованном состоянии (инактивированном) и образует «тельце Барра». При этом в одних клетках будет функционировать Х-хромосома, полученная от матери и несущая один аллельный ген (А), а в других клетках - хромосома, полученная от отца и содержащая другой аллельный ген (а).

Взаимодействие неаллельных генов

Различают следующие виды (формы) взаимодействия неаллельных генов:

комплементарное (дополнительное),

эпистаз,

полимерия,

эффект положения,

регуляторные взаимодействия.

Комплементарное взаимодействие

Комплементарным называется такой вид взаимодействия неаллельных генов, при котором действие гена из одной аллельной пары дополняется действием гена из другой аллельной пары, в результате чего формируется качественно новый признак.

Классический пример такого взаимодействия - наследование формы гребня у кур. Встречаются следующие формы гребня: листовидный - результат взаимодействия двух рецессивных неаллельных генов аabb; ореховидный - результат взаимодействия двух доминантных неаллельных генов A-B-; розовидный и гороховидный - c генотипами A-bb и aaB-, соответственно.

Другой пример - наследование окраски шерсти у мышей. Окраска бывает серая, белая и черная, а пигмент только один - черный. В основе формирования той или иной окраски шерсти лежит взаимодействие двух пар неаллельных генов:

A - ген, определяющий синтез пигмента;

a - ген, не определяющий синтез пигмента;

B - ген, определяющий неравномерное распределение пигмента;

b - ген, определяющий равномерное распределение пигмента.

Примеры комплементарного взаимодействия у человека: ретинобластома и нефробластома кодируются двумя парами неаллельных генов.

Возможные варианты расщепления в F2 при комплементарном взаимодействии: 9:3:4; 9:3:3:1; 9:7.

Эпистаз

Эпистаз - такой вид взаимодействия неаллельных генов, при котором действие гена из одной аллельной пары подавляется действием гена из другой аллельной пары.

Различают две формы эпистаза - доминантный и рецессивный. При доминантном эпистазе в качестве гена-подавителя (супрессора) выступает доминантный ген, при рецессивном эпистазе - рецессивный ген.

Пример доминантного эпистаза - наследование окраски оперения у кур. Взаимодействуют две пары неаллельных генов:

С - ген, определяющий окраску оперения (обычно пеструю),

с - ген, не определяющий окраску оперения,

I - ген, подавляющий окраску,

i - ген, не подавляющий окраску.

Варианты расщепления в F2 : 12:3:1, 13:3.

У человека примером доминантного эпистаза являются ферментопатии (энзимопатии) - заболевания, в основе которых лежит недостаточная выработка того или иного фермента.

Пример рецессивного эпистаза - так называемый «бомбейский феномен»: в семье у родителей, где мать имела группу крови О, а отец - группу крови А, родились две дочери, из которых одна имела группу крови АВ. Ученые предположили, что у матери в генотипе был ген IB, однако его действие было подавлено двумя рецессивными эпистатическими генами dd.

Полимерия

Полимерия - такой вид взаимодействия неаллельных генов, при котором несколько неаллельных генов определяют один и тот же признак, усиливая его проявление. Это явление противоположно плейотропии. По типу полимерии обычно наследуются количественные признаки, чем и обусловлено большое разнообразие их проявления в природе.

Например, окраска зерен у пшеницы определяется двумя парами неаллельных генов:

A1 - ген, определяющий красную окраску;

a1 - ген, не определяющий красную окраску;

A2 - ген, определяющий красную окраску;

a2 - ген, не определяющий красную окраску.

A1 A1 A2 A2 - генотип растений с красной окраской зерен;

a1 a1 a2 a2 - генотип растений с белой окраской зерен.

Расщепление в F2: 15:1 или 1:4:6:4:1.

У человека по типу полимерии наследуются такие признаки, как рост, цвет волос, цвет кожи, величина артериального давления, умственные способности.

Эффект положения

Эффект положения - вид взаимодействия неаллельных генов, обусловленный местом положения гена в генотипе.

Пример - наследование белка Rh-фактора (резус-фактора). У 85% европейцев резус-фактор имеется (Rh+), у 15% - его нет (Rh-). Определяется резус-фактор тремя доминантными генами (С, D, E), расположенными в хромосоме рядом друг с другом.

Регуляторные взаимодействия

Регуляторными называются взаимодействия, имеющие место в ходе регуляции экспрессии генов на уровне транскрипции (т.е. взаимодействия регуляторных и структурных генов).

Закономерности наследования сцепленных признаков

Согласно III закону Менделя, наследование по каждой паре признаков идет независимо друг от друга. Но этот закон справедлив лишь для случая, когда неаллельные гены расположены в негомологичных хромосомах (одна пара генов - в одной паре гомологичных хромосом, другая - в другой). Однако генов гораздо больше, чем хромосом, следовательно, в одной паре гомологичных хромосом всегда находится более одной пары генов (их может быть несколько тысяч). Как же наследуются признаки, гены которых находятся в одной хромосоме или в одной паре гомологичных хромосом? Такие признаки принято называть "сцепленными".

Термин «сцепленные признаки» был введен американским ученым Томасом Морганом. Он вместе со своими учениками изучил закономерности наследования сцепленных признаков. За эти исследования Т. Моргану была присуждена Нобелевская премия.

В качестве объекта своих исследований Т. Морган выбрал плодовую мушку дрозофилу. Выбор оказался очень удачным ввиду следующих положительных качеств дрозофилы:

легко культивируется в лаборатории;

имеет высокую плодовитость (откладывает до 100 яиц);

короткий период развития - продолжительность цикла развития от яйца до половозрелой особи составляет две недели (в году 24 поколения!);

небольшое число хромосом (четыре пары), четко отличающихся по строению.

В настоящее время дрозофила является незаменимым объектом генетических исследований.

Т. Морган анализировал скрещиваемых мух по двум парам генов, определяющих цвет тела и длину крыльев:

A - ген серого цвета тела,

a - ген черного цвета тела;

B - ген, определяющий нормальную длину крыльев,

b - ген, определяющий укороченные крылья.

I опыт. Скрещивались мухи, гомозиготные по доминантным генам, с особями, гомозиготными по рецессивным генам:

P. AABB aabb

Все потомство оказалось единообразным по генотипу и фенотипу, что соответствует I закону Менделя - закону единообразия.

II опыт - анализирующее скрещивание. Гетерозиготные самцы скрещивались с гомозиготными по рецессивным признакам самками:

P. > AaBb + aabb

В потомстве получились мухи с двумя фенотипами (серые длиннокрылые и черные короткокрылые) в соотношении 1:1. Это означает, что у самца было только два сорта гамет. Образование двух сортов гамет объяснялось тем, что в данном случае неаллельные гены располагались в одной паре гомологичных хромосом. Признаки, контролируемые этими генами, были названы сцепленными.

Ш опыт - реципрокное (возвратное) скрещивание. Гетерозиготная самка скрещивалась с гомозиготным по рецессивным признакам самцом:

P. + AaBb > aabb

В потомстве оказались мухи с четырьмя фенотипами в следующем соотношении:

41,5% - серые длиннокрылые,

41,5% - черные короткокрылые,

8,5% - серые короткокрылые,

8,5% - черные длиннокрылые.

Появление в потомстве четырех фенотипов означает, что у самки, в отличие от самца, образовалось четыре сорта гамет. Появление двух дополнительных сортов гамет Морган объяснил явлением кроссинговера - обменом идентичными участками гомологичных хромосом во время профазы первого мейотического деления. Причем кроссинговер наблюдался в 17% случаев. Вероятно, у самцов кроссинговер отсутствует.

На основании проведенных опытов Морган сформулировал основные

положения хромосомной теории наследственности:

Гены расположены в хромосомах в линейном порядке (как бусинки на нитке).

Гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются вместе и образуют одну группу сцепления. Признаки, определяемые этими генами, называются сцепленными.

Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному набору хромосом.

Гомологичные хромосомы способны обмениваться гомологичными участками. Такое явление получило название "кроссинговер".

Частота явления кроссинговера прямо пропорциональна расстоянию между генами.

В последующем за единицу расстояния между генами была принята морганида, или сантиморган. 1 сантиморган соответствует 1% явления кроссинговера. Таким образом, у дрозофилы расстояние между генами, определяющими длину крыльев и цвет тела, равно 17 сантиморган.

Используя явление кроссинговера, ученые составили генетические карты, в первую очередь для объектов генетических исследований (дрозофила, кишечная палочка, кукуруза, томаты, мышь). Составляются такие карты и для человека, правда, с помощью других методов. Установлено, например, что ген, определяющий резус-фактор, находится на расстоянии трех сантиморган от гена, определяющего форму эритроцитов; ген группы крови (по системе АВ0) - на расстоянии 10 сантиморган от гена, определяющего дефект ногтей и коленной чашечки.

Генетика пола

В природе существует три типа определения пола:

прогамный,

эпигамный,

сингамный.

Прогамный - пол можно определить еще до оплодотворения по размерам яйцеклетки: если она крупная, содержит много питательных веществ - из нее разовьется особь женского пола; если мелкая - особь мужского пола.

Такой тип определения пола имеет место у коловраток (круглые черви), примитивных кольчатых червей, тлей.

Эпигамный - определение пола происходит после оплодотворения под влиянием условий среды.

Этот тип исключительно редок. Примером является морской червь Bonellia viridis. Самки этого вида имеют длинный хоботок. Если личинка развивается на хоботке, то она даст особь мужского пола; если самостоятельно, вне материнского организма - будет особь женского пола. Определяющим фактором в данном случае является влияние гормонов материнского организма.

Сингамный - пол определяется в момент оплодотворения и зависит от набора хромосом. Это самый распространенный в природе тип.

Кариотип любого организма содержит две группы хромосом: аутосомы (определяют строение тела) и гетерохромосомы (определяют пол). Гетерохромосомы принято обозначать двумя буквами латинского алфавита: X и Y. У большинства видов животных имеется одна пара гетерохромосом, которая определяет половую принадлежность организма.

Наборы половых хромосом у некоторых животных и человека

П о л	Организмы
++	>>
XX XY XX XO	XY XX XO XX	Человек, дрозофила Птицы, бабочки Тараканы Комнатная моль

Формирование пола в онтогенезе

Процесс формирования пола в онтогенезе длителен и проходит несколько этапов или уровней. У человека можно выделить четыре уровня:

Хромосомный - сочетание половых хромосом: ХХ - женский пол, XY - мужской пол.

Гонадный - формирование гонад: яичники или семенники.

Фенотипический - формирование определенного фенотипа.

Психологический - психологическая самооценка принадлежности к тому или иному полу.

Рассмотрим эти уровни более детально.

У человека и других млекопитающих зигота потенциально бисексуальна, т.е. нейтральна в половом отношении, несмотря на имеющийся в ней набор половых хромосом: XX или XY. Зачаточные гонады (половые железы) у эмбриона имеют два слоя - корковый (cortex) и мозговой (medulla), из которых развиваются в дальнейшем соответственно яичник и семенник.

Выбор направления развития коркового или мозгового вещества определяется белком - H-Y-антигеном. Он кодируется аутосомным геном, который, в свою очередь, находится под контролем гена, расположенного в Y-хромосоме. Этот белок должен подействовать не позднее 6-й - 10-й недели эмбриогенеза, тогда из medulla будет развиваться семенник. Если данного белка нет или он подействует позднее - из коркового слоя будет формироваться яичник. Таким образом, генеральное направление в природе - формирование женского пола (он определяющий, так как дает потомство); для формирования мужского пола нужен дополнительный фактор.

Сформированные половые железы вырабатывают соответствующие гормоны - эстрогены или андрогены, под влиянием которых формируется тот или иной фенотип (развиваются вторичные половые признаки: характер оволосения и отложения жира на теле, особенности строения скелета, тембр голоса и т.п.).

Доказательством бисексуальности зиготы могут служить примеры переопределения пола у потомства:

У червя B. viridis личинка может дать особь любого пола (см. выше).

У крупного рогатого скота возможно рождение в случае разнополой двойни фри-мартин (интерсексуальной телочки), т.к. андрогены одного из близнецов выделяются раньше и будут оказывать влияние на оба эмбриона, направляя их развитие в сторону фенотипа самца, а потом начинают действовать женские гормоны.

У аквариумных рыбок медаки под влиянием женского гормона происходит полное переопределение пола у мужской особи, и она начинает давать потомство.

Примером неполного переопределения пола у человека может служить синдром Морриса: при наборе половых хромосом XY фенотип женский. В основе этого синдрома лежит рецессивная мутация, ведущая к отсутствию в клетке белка-рецептора, который воспринимает мужские половые гормоны (андрогены).

Закономерности наследования признаков, сцепленных с полом

У человека известно несколько сотен признаков, гены которых расположены в половых хромосомах. Наследование этих признаков имеет свои особенности.

Сцепленными с полом называются такие признаки, гены которых расположены в негомологичных участках половых хромосом.

Примеры заболеваний человека, гены которых расположены в половых хромосомах:

гомологичный участок (I): геморрагический диатез, пигментная ксеродерма, общая цветовая слепота;

негомологичный участок (II): рецессивные признаки - гемофилия, дальтонизм, катаракта, атрофия зрительного нерва, ихтиоз (заболевание кожи, при котором она напоминает рыбью чешую); доминантные признаки - рахит, не поддающийся лечению витамином Д; коричневая эмаль зубов;

негомологичный участок (III): гипертрихоз (избыточное оволосение ушной раковины), перепончатость пальцев на ногах.

Особенности обозначения гена гемофилии:

XH - ген, определяющий нормальное свертывание крови,

Xh - ген, определяющий гемофилию.

Особенности обозначения гена гипертрихоза:

YH - ген, определяющий гипертрихоз.

Наряду с признаками, сцепленными с полом, выделяют признаки, ограниченные полом.

Признаки, ограниченные полом, кодируются генами, которые расположены как в аутосомах, так и в половых хромосомах, однако фенотипически проявляются только у особей одного какого-то пола.

Так, ген, определяющий количество и жирность молока, имеется и у быков. Гены, определяющие размеры и количество яиц, имеются и у петухов. У человека таким признаком является тембр голоса (бас бывает только у мужчин, хотя определяющий его ген имеется и у женщин).

Цитоплазматическая наследственность

Цитоплазматической называется наследственность, обусловленная молекулами ДНК или РНК, находящимися в цитоплазме автономно или в составе органелл. Гены цитоплазмы получили название плазмагенов, их совокупность называют плазмон.

На сегодняшний день такие гены обнаружены в пластидах, митохондриях и центриолях. Соответственно различают пластидную, митохондриальную и центриолярную цитоплазматическую наследственность.

Пластидная наследственность

...