Текст книги "Медицинская биология: конспект лекций для вузов"

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.

Диплоидный набор хромосом, а также совокупность генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом, называют геномом. Мутации, связанные с изменением числа хромосом, получили название геномных. К ним относятся полиплоидия и гетероплоидия.

Полиплоидия – увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза. Полиплоидные формы фенотипически отличаются от диплоидной: вместе с изменением числа хромосом изменяются и наследственные свойства. У полиплоидов клетки обычно крупные; иногда растения имеют гигантские размеры. Формы, возникшие в результате умножения хромосом одного генома, носят название полиплоидии. Однако известна и другая форма полиплоидии – аллоплоидия, при которой умножается число хромосом двух разных геномов.

В результате нарушений процессов мейоза и синтеза ДНК число хромосом может изменяться и становиться некратным гаплоидному набору. Явление, когда какая-либо из хромосом, вместо того чтобы быть парной, оказывается тройной, получило название трисомии.

Если наблюдается трисомия по одной хромосоме, то такой организм называется трисомиком, а его хромосомный набор записывается как 2n+1.

Явление, противоположное трисомии, т. е. утрата одной хромосомы из пары в диплоидном наборе, называется моносомией, а такой организм – моносомиком; его генотипическая формула записывается как 2n-1. Если из диплоидного набора выпадают обе гомологические хромосомы, организм называется нуллисомиком.

Анэуплоидия, т. е. нарушение нормального числа хромосом, приводит к изменениям в строении и снижению жизнеспособности организма.

Вопрос 73. Хромосомные аберрации

1. Типы хромосомных аберраций

Хромосомные аберрации возникают в результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосом, приводящего к образованию фрагментов, которые в дальнейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосом не восстанавливается.

Различают 4 основных типа хромосомных аберраций: нехватки, удвоения, инверсии и транслокации. Нехватки возникают вследствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хромосомы принято называть делециями.

Потеря значительной части хромосомы приводит организм к гибели, утрата незначительных участков вызывает изменение наследственных свойств. Так, при нехватке участка одной их хромосом у кукурузы ее проростки лишаются хлорофилла.

Удвоение связано с включением дополнительного (лишнего) дублирующего участка хромосомы. Это также ведет к появлению новых признаков.

2. Инверсия

Инверсия наблюдается при разрыве хромосомы и переворачивании оторвавшегося участка на 180⁰. Если разрыв произошел в одном месте, образовавшийся фрагмент прикрепляется к хромосоме противоположным концом, если же разрыв случился в двух местах, то средний фрагмент, перевернувшись, прикрепляется к местам разрыва, но другими концами.

3. Транслокация

Транслокация возникает в тех случаях, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме, т. е. хромосоме из другой пары. Транслокация участка одной из хромосом известна у человека: она может быть причиной болезни Дауна. Большинство транслокаций, затрагивающих крупные участки хромосом, делает организм нежизнеспособным.

Вопрос 74. Генные (точковые) мутации

1. Изменение участков молекулы ДНК

Генные мутации затрагивают структуру самого гена. Мутации могут изменять участки молекулы ДНК различной длины. Наименьший участок, изменение которого приводит к появлению мутации, назван мутоном. Его может составить только одна пара нуклеотидов. Изменение последовательности нуклеотидов в конечном итоге может вызвать нарушения в программе синтеза белка. Следует помнить, что нарушения в структуре ДНК приводят к мутациям только тогда, когда не осуществляется репарация.

Большинство мутаций, с которыми связана эволюция органического мира, – генные. Гены, которые возникли в результате мутации одного локуса, как известно, являются аллельными. Появление мутации для каждого генного локуса – событие довольно редкое. Различные аллели имеют неодинаковую частоту мутирования. Для каждой аллели частота мутирования более или менее постоянна и колеблется в пределах 10^-5—10^-7. Однако ввиду огромного числа генов у каждого организма мутации довольно часты.

2. Соматические мутации

Мутации возникают в любых клетках, поэтому их делят на соматические и генеративные. Биологическое значение их неравноценно и связано с характером размножения организмов. При делении мутировавшей соматической клетки новые свойства передаются ее потомкам.

При половом размножении признаки, появившиеся в результате соматических мутаций, потомкам не передаются и в процессе эволюции никакой роли не играют. Однако в индивидуальном развитии они могут влиять на формирование признака: чем в более ранней стадии развития возникает соматическая мутация, тем больше участок ткани, несущий данную мутацию. Такие особи называются мозаиками.

Если мутация происходит в клетках, из которых развивается гаметы, или в половой клетке, то новый признак проявится в ближайшем или последующих поколениях.

3. Влияние мутации на организм

Наблюдения показывают, что многие мутации вредны для организма. Это объясняется тем, что функционирование каждого органа сбалансировано в отношении как других органов, так и внешней среды. Нарушение существующего равновесия обычно ведет к снижению жизнедеятельности или гибели организма. Мутации, снижающие жизнедеятельность, называются семилетальными, или полулетальными. Мутации, не совместимые с жизнью, носят название летальных.

Однако часть мутаций оказывается полезной. Такие мутации являются материалом для прогрессивной эволюции, а также для селекции ценных пород домашних животных и растений. Мутации делятся на спонтанные и индуцированные. Спонтанными называют мутации, возникшие под влиянием неизвестных природных факторов, чаще всего как результат ошибок при репликации ДНК.

4. Индуцированные мутации

Индуцированные мутации вызываются специальными направленными воздействиями, повышающими мутационный процесс. Факторы, способные индуцировать мутационный эффект, получили название мутагенных.

Важнейшими мутагенными факторами являются некоторые химические соединения, различные виды излучений внутренней среды, которые могут нарушить гомеостаз, способны вызвать мутацию и биологические факторы.