Медицинская биология: конспект лекций для вузов

Ген-оператор и ряд структурных генов, расположенных рядом в линейной последовательности, составляют оперон. Оперон является единицей считывания генетической информации, то есть с каждого оперона снимается своя молекула информационной РНК. Функция гена-оператора в свою очередь регулируется геном-регулятором. Он кодирует синтез белка-репрессора. Наличие или отсутствие этого белка, присоединяющегося к гену-оператору, определяет начало или прекращение считывания информации.

5.

Характеристика коллинеарности

Коллинеарность – свойство, обусловливающее соответствие между последовательностью кодонов нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. Иными словами, коллинеарность – свойство, благодаря которому в белке воспроизводится та же последовательность аминокислот, в какой соответствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что положение каждой аминокислоты в полипептидной цепи зависит от особого участка гена. Генетический код считается коллинеарным, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им аминокислоты в белке расположены в одинаковом линейном порядке.

6.

Явление коллинеарности

Явление коллинеарности доказано экспериментально. Так, установлено, что серповидноклеточная анемия, при которой нарушено строение молекулы гемоглобина, обусловлено дефектами расположения нуклеотидов в гене, ответственном за синтез гемоглобина. Было установлено расстояние между аминокислотами, зависимыми от этих мутаций, и расположение мутантов на генетической карте гена триптотофансинтетазы, совпадающее с расположением аминокислот в этом ферменте. Таким образом, аминокислоты заменялись в соответствии с изменением нуклеотидного состава соответствующих триплетов.

Гипотеза о том, что последовательность нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислот в белке, была высказана Г.А. Гамовым . Данные о коллинеарности полипептидов подтвердили ее. Благодаря концепции коллинеарности можно определить примерный порядок нуклеотидов внутри гена и информационной РНК, если известен состав полипептидов. Наоборот, определив состав нуклеотидов ДНК, можно предсказать аминокислотный состав белка. Из этой концепции также следует, что изменение порядка нуклеотидов внутри гена (мутация) приводит к изменению аминокислотного состава белков.

Вопрос 67. Репарация

1.

Способность к репарации

Под действием различных физических и химических агентов, а также при нормальном биосинтезе ДНК в клетке могут возникнуть повреждения . Оказалось, что клетки обладают способностью исправлять повреждения в молекуле ДНК. Этот феномен получил название репарации. Первоначально способность к репарации была обнаружена у бактерий, подвергавшихся воздействию ультрафиолетового излучения. В результате облучения целостность молекул ДНК нарушается, так как в ней возникают димеры, т. е. сцепленные между собой соединения в области оснований. Димеры образуются между двумя тиминами, тимином и цитозином, двумя цитозинами, тимином и урацилом, двумя урацилами.

Однако облученные клетки на свету выживают гораздо лучше, чем в темноте. После тщательного анализа причин было установлено, что в облученных клетках на свету происходит репарация. Она осуществляется специальным ферментом, активирующимся квантами видимого света. Фермент соединяется с поврежденной ДНК, разъединяет возникшие в димерах связи и восстанавливает целостность нити ДНК.

2.

Темновая репарация

Позднее была обнаружена и темновая репарация , т. е. свойство клеток ликвидировать повреждения ДНК без участия видимого света. Темновая репарация осуществляется комплексом из пяти ферментов: узнающего химические изменения на участке цепи ДНК, осуществляющего вырезание поврежденного участка, удаляющего этот участок, синтезирующего новый участок по принципу комплементарности взамен удаленного и фермента, соединяющего концы старой цепи и восстановленного участка.

3.

Световая репарация

При световой репарации исправляются повреждения, возникшие только под воздействием ультрафиолетовых лучей, при темновой – повреждения, появившиеся под влиянием жесткой радиации, химических веществ и других факторов. Темновая репарация обнаружена как у прокариот, так и в клетках эукариот; у последних она изучается в культурах тканей. Вопрос о том, почему одни повреждения репарируются, а другие нет, остается открытым. Если репарация не наступает, то клетка либо гибнет либо наступает мутация.

Вопрос 68. Взаимодействие генов. Особенности передачи наследственной информации у про– и эукариот

1.

Различия в передаче наследственной информации в клетках прокариот и эукариот

В большинстве случаев отдельные гены, по-видимому, самостоятельно не определяют характер признака . В явлениях комплементарности, эпистаза и плейотропии обнаруживается фенотипическое выражение молекулярных взаимодействий генов. В ряде экспериментов, проведенных в лабораторных условиях с ферментами, выделенными из организмов с различным генотипом, показано, что механизм комплементарного взаимодействия генов заключается во взаимодействии генных продуктов в цитоплазме.

Обнаружены фундаментальные различия в передаче наследственной информации в клетках прокаритов и эукариот. У прокариот и-РНК, образующаяся на молекулах ДНК, немедленно приступает к синтезу белка на рибосомах.

2.

Отличие у эукариот

У эукариот на молекулах ДНК образуется ДНК, подобная и-РНК и получившая название д-РНК. Она представляет собой высокомолекулярное соединение с относительной молекулярной массой 2000000 – 10000000, в то время как информационная РНК, находящаяся в цитоплазме клеток животных имеет молекулярную массу в пределах 200000 – 600000. Оказалось, что у эукариот д-РНК является предшественником и-РНК. Находясь еще в ядре, д-РНК «созревает», расщепляясь при участии ферментов на более короткие цепи РНК. Большая часть этих цепей распадается, и только незначительная часть, являющаяся истинной и-РНК, выходит в цитоплазму. Вопрос о том, почему у эукаритотов образуется д-РНК и какова ее роль, остается неясным.

Вопрос 69. Генная инженерия. Современное состояние теории гена

1.

Этапы переноса наследственной информации

Обнаружение точной структуры гена послужило предпосылкой к выдвижению идеи переноса генов их одних организмов в другие, т. е. генной инженерии . Цель ее – создание новых генетических структур и благодаря этому – организмов с новыми наследственными свойствами. В настоящее время для переноса молекул нуклеиновой кислоты используют так называемые векторы. В качестве векторов служат вирусы, проникающие в клетку, т. е. моделируется принцип трансдукции.

Таким образом , операция по переносу наследственной информации слагается из трех этапов:

• получения необходимого вектора;

• получения гена или генов, необходимых для переноса и смешивания их с вектором, т. е. получения гибридных молекул;

• введения гибридных молекул в клетку и репликации их.

Введенные в клетку молекулы могут продолжать существовать в ней в комплексе с хромосомами либо в свободном состоянии как плазмиды. Принципиальная возможность искусственного включения новых генов в клетку доказана в ряде экспериментов. Так, в колонию бактерий кишечной палочки из штамма, неспособного синтезировать аминокислоту триптофан, с помощью фага был введен соответствующий ген и бактерии приобрели новое свойство, т. е. стали синтезировать триптофан. Из клеток южноафриканской лягушки был выделен фрагмент ДНК, введен в клетки кишечной палочки, где обнаружилась его способность синтезировать и-РНК лягушачьего типа.

2.

Будущее генной информации

Генная инженерия в будущем , возможно, обеспечит создание организмов с новыми свойствами, например, бактерий, синтезирующих человеческие гормоны, микроорганизмов, обладающих повышенной продуктивностью для получения антибиотиков, а в гораздо более отдаленном будущем, может быть, поможет человечеству избавиться от наследственных болезней.

3.

Основные положения теории гена

В результате исследований элементарных единиц наследственности сложились представления, носящие общее название теории гена.

Основные положения этой теории сводятся к следующему:

• I. Ген занимает определенный участок (локус) в хромосоме.

• II. Ген (цистрон) – это часть молекулы ДНК, представляющая собой определенную последовательность нуклеотидов и являющаяся функциональной единицей наследственной информации. Число нуклеотидов, входящих в состав различных генов, неодинаково.

• III. Внутри гена могут происходить рекомбинации и мутирование.

• IV. Существуют структурные и функциональные гены.

• V. Структурные гены кодируют синтез белков, но ген не принимает непосредственного участия в синтезе белка. ДНК – матрица для синтеза молекул и-РНК.

• VI. Функциональные гены контролируют и направляют деятельность структурных генов.

• VII. Расположение нуклеотидных триплетов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном.

• VIII. Молекулы ДНК, входящие в состав гена, способны к репарации, поэтому не всякие повреждения гена ведут к мутациям.

• IX. Генотип, будучи дискретным (состоящим из отдельных генов), функционирует как единое целое. На функцию генов оказывают влияние как внутриклеточные факторы, так и факторы внешней среды.

Вопрос 70. Нехромосомная наследственность

1.

Внеядерная наследственность

Признание за ядром главенствующей роли в передаче наследственных свойств не исключает существования внеядерной наследственности, которая связана с органоидами клетки, способными к саморепродукции. Факторы наследственности, расположенные в клетках вне хромосом, получили название плазмид . Функция плазмид, как и генов, находящихся в хромосомах, связана с ДНК. Установлено, что собственную ДНК имеют пластиды (пластидная ДНК), митохондрии (митохондриальная ДНК), центриоли (центриолярная ДНК) и некоторые другие органоиды.

Эти цитоплазматические структуры способны к авторепродукции. Именно с ними связана передача цитоплазматической наследственности. Проявление этой формы наследственности находится под контролем ядерной ДНК.

2.

Пластидная и цитоплазматическая наследственность

Пластидная наследственность обнаружена у декоративных цветов львиного зева, ночной красавицы и др. У этих растений наряду с расами, имеющими зеленые листья, существуют расы пестролистости. Признак пестролистости передается только по материнской линии.

Цитоплазматическая наследственность известна у ряда культурных растений. У кукурузы существуют сорта с мужской стерильностью, которая передается исключительно через цитоплазму женских половых клеток.

В цитоплазме бактерий обнаружены автономно расположенные плазмиды, состоящие из кольцевых молекул двунитчатой ДНК. Эти бактериальные плазмиды обусловливают половую дифференцировку, устойчивость к ряду лекарственных веществ и синтез некоторых белков. Феноменом цитоплазматической наследственности объясняются длительные модификации.

Иногда генотип материнского организма оказывает влияние на следующее поколение через цитоплазму яйцеклетки. Такое влияние получило название предетерминации. В явлениях предетерминации действует наследственная информация, заложенная в хромосомах и определяющая особенности яйцеклетки еще до оплодотворения.

Вопрос 71. Наследственность и среда. Фенотипическая (ненаследственная) изменчивость

1.

Фенотипическое проявление

Диапазон изменчивости, в пределах которой в зависимости от условий среды один и тот же генотип способен давать различные фенотипы, получил название нормы реакции.

В ряде случаев у одного и того же гена в зависимости от особенностей генотипа и характера внешних условий возможна различная полнота фенотипического проявления : от почти полного отсутствия контролируемого геном признака до полной его выраженности.

Степень выраженности признака при реализации генотипа в различных условиях получила название экспрессивности. Таким образом, под экспрессивностью понимают выраженность фенотипического проявления гена. Она связана с изменчивостью признака в пределах нормы реакции. Один и тот же признак может проявляться у одних организмов и отсутствовать у других, имеющих тот же ген.

2.

Пенетрантность

Количественный показатель фенотипического проявления называется пенетрантностью . Характеризует пенетрантность процент особей, проявляющих в фенотипе данный ген, по отношению к общему числу особей, у которых ген мог бы проявиться. Тот факт, что один и тот же генотип может явиться источником различных фенотипов , имеет большое значение для медицины. Это означает, что отягощенная наследственность не обязательно должна проявиться фенотипически. Многое зависит от тех условий, в которых находится человек.

3.

Взаимосвязь генотипа и фенотипа

В ряде случаев болезнь как фенотипическое проявление наследственной предрасположенности можно предотвратить соблюдением диеты или приемом лекарственных препаратов. Реализация наследственной информации находится в прямой зависимости от среды. Взаимозависимость генотипа и фенотипа можно сформулировать в виде следующих положений:

• I. Организмов вне среды не существует .

Поскольку организмы являются открытыми системами, находящимися в единстве с условиями среды, то и реализация наследственной информации происходит под контролем среды.

• II. Один и тот же генотип способен дать различные фенотипы , что определяется условиями, в которых реализуется генотип в процессе онтогенеза отдельной особи.

• III . В организме могут развиться лишь те признаки, которые обусловлены генотипом . Фенотипическая изменчивость происходит в пределах нормы реакции по каждому конкретному признаку.

• IV. Условия среды могут влиять на степень проявления наследственного признака у организмов, имеющих соответствующий ген, или на численность особей, проявляющих соответствующий наследственный признак.

4.

Фенотипическая изменчивость

Модификациями называются фенотипические изменения, возникающие под влиянием условий среды. Размах модификационной изменчивости ограничен нормой реакции. Возникшее конкретное модификационное изменение признака не наследуется, но диапазон модификационной изменчивости обусловлен наследственностью.

Модификационные изменения не влекут за собой изменения генотипа. Норма реакции, лежащая в основе модификационной изменчивости, складывается в результате естественного отбора. В силу этого обстоятельства модификационная изменчивость, как правило, целесообразна. Она соответствует условиям обитания и является приспособительной.

5.

Длительные модификации

Особую группу модификационной изменчивости составляют длительные модификации . Эти изменения возникают под влиянием внешней среды, подобно обычным модификациям, но передаются ряду последующих поколений. Так, при воздействии высокой или пониженной температуры на куколок колорадского картофельного жука окраска взрослых животных изменяется. Этот признак держится в нескольких поколениях, а затем происходит возвращение прежней окраски. Указанный признак передается в поколениях, если воздействию температурного фактора подвергались только самцы.

Следовательно, длительные модификации наследуются по типу цитоплазматической наследственности . По-видимому, под влиянием того или иного внешнего фактора происходят изменения в тех частях цитоплазмы, которые затем могут авторепродуцироваться.

Вопрос 72. Генотипическая (наследственная) изменчивость

1.

Комбинативная изменчивость

Наследственную изменчивость принято делить на комбинативную и мутационную. Комбинативная изменчивость связана с получением новых сочетаний генов в генотипе.

Это достигается это в результате трех процессов: независимого расхождения хромосом при мейозе; случайного их сочетания при оплодотворении; рекомбинации генов благодаря кроссинговеру: сами наследственные факторы (гены) при этом не изменяются, но новые их сочетания между собой приводят к появлению организмов с новым фенотипом.

К комбинативной изменчивости примыкает явление гетерозиса. Гетерозис, или «гибридная сила», может наблюдаться в первом поколении при гибридизации между представителями различных видов или сортов. Он проявляется повышением жизнеспособности, увеличением роста и другими особенностями.

2.

Мутационная изменчивость

Мутационная изменчивость связана с мутациями – изменениями генетического аппарата клетки, обусловленными реорганизацией генетических структур. Этим мутации резко отличаются от модификаций, не затрагивающих генотипа особи. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, в результате чего новый организм иногда резко отличается от исходной формы. По характеру изменений генетического аппарата различают мутации , обусловленные изменением числа хромосом (генома), изменением специфики хромосом (хромосомные аберрации), изменением молекулярной структуры гена (генные мутации).

3.

 Полиплоид

Мутационная изменчивость, связанная с изменением числа хромосом.