Основные генетические понятия. Законы и опыты Г. Менделя.

Генные мутации – наиболее часто встречающийся класс мутационных изменений. Генные мутации связаны с изменением последовательности  нуклеотидов в молекуле ДНК. Они приводят к тому, что мутантный ген либо перестает работать  и тогда не образуются соответствующие РНК и белок, либо синтезируется белок с измененными свойствами, что проявляется в изменении каких-либо признаков организма. Вследствие генной мутации образуются новые аллели. Это имеет важное эволюционное значение.

Мутации – редкие события. На 10000 – 1000000 генов за одно поколение  в среднем возникает одна новая  мутация. Хотя мутационные события происходят редко, но благодаря постоянству естественного мутационного процесс и способности видов накапливать мутации генотипы всех без исключения особей содержат значительное количество генных мутаций. Генные мутации следует рассматривать как результат «ошибок», возникающих в процессе удвоения молекул ДНК.

Изучение мутационного процесса показало, что изменяться – мутировать – могут все гены, контролирующие развитие любого признака организма. Многие генные мутации вредны для организма, часть – нейтральны, а некоторые из них в определенных условиях жизни могут становиться полезными.

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости.                   

        Выдающийся русский биолог Н.И. Вавилов многие годы изучал наследственную изменчивость у культурных растений семейства злаковых и их диких предков. Генетически близкородственные виды и роды он расположил в определенном порядке в соответствии с вариантами изменчивости. Это позволило ему обнаружить закономерность: близкородственные виды и роды благодаря большому сходству их генотипов обладают сходной наследственной изменчивостью. Обнаруженное Н.И. Вавиловым явление известно в биологии как закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Этот закон сформулировал следующим образом: «Виды ироды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождения параллельных форм у других видов и родов».

У организмов, связанных  менее близкими родственными связями, т.е. имеющих значительные различия в строении генотипов, параллелизм наследственной изменчивости становится менее полным.

Закон гомологических рядов  отражает общебиологическое явление, характерное для всех представителей живого мира.

Наследственная изменчивость человека.

На людях невозможны прямые эксперименты, однако сейчас науке известно очень  многое о наследственности человека.

Важно, что все общие  закономерности наследственности.

Генетика и медицина. Интерес, проявляемый учеными к наследственности человека, не случаен. В последние десятилетия человечество тесно соприкасается с чуждыми для него химическими веществами. Число таких веществ, применяемых в быту, в сельском хозяйстве, пищевой, косметической промышленности в других областях деятельности людей, в настоящее огромно. Среди этих веществ есть и такие, которые вызывают мутации.

Благодаря развитию медицины человека человек научился бороться с очень многими заболеваниями, уносившими еще не так давно миллионы жизней. Человек успешно защищает себя от большинства очень опасных инфекционных заболеваний.

Для обеспечения своего здоровья, здоровья своих детей и  всех будущих поколений человеку необходимо научится бороться с возникновением в его клетках генных и хромосомных мутаций. А для этого ему надо знать свою собственную генетику так же хорошо, как и генетику растений, животных, микроорганизмов.

Все, что известно сейчас о наследственности человека выявлено наукой в результате применения специальных  методов исследования.

Методы изучения  наследственности человека.

Генеалогический метод. Сущность его состоит в изучении родословных в тех семьях, в которых есть наследственные заболевания. Этот метод мог установить закономерности наследования очень большого числа самых различных признаков у человека: как нормальных, подобных цвету глаз, цвету и форме волос, так и сопутствующих наследственным болезням.

Благодаря хорошо известной  родословной удалось проследить наследование гена гемофилии от английской королевы Виктории. Виктория и ее муж были здоровы. Известно также, что никто из ее предков не страдал гемофилией. Наиболее вероятно, что возникла мутация в гамете одного из родителей Виктории. Вследствие этого королева стала носительницей гена гемофилии и передала многим своим потомкам. Все потомки мужского пола, которые получили от Виктории Х – хромосому с мутантным геном, страдали тяжелым недугом – гемофилией.

Близнецовый метод. У человека в среднем в одном проценте случаев рождаются близнецы. Они могут быть однояйцовыми и разнояйцовыми. Разнояйцовые, или неидентичные, близнецы рождаются в результате оплодотворения двух яйцеклеток двумя сперматозоидами. Они поэтому похожи друг на друга не более чем братья и сестры, рожденные не одновременно, и могут быть разнополыми.

Но иногда одна оплодотворенная яйцеклетка дает начало не одному, а двум (или нескольким) эмбрионам. Такие эмбрионы – близнецы развиваются из единственной оплодотворенной яйцеклетки, они всегда либо мальчики, либо девочки. И сходство у таких близнецов почти абсолютное, так как они имеют один и тот же генотип.

Цитогенетический метод. Этот метод основывается на микроскопическом исследовании числа и структуры хромосом, подвергнутых специальным обработкам и окрашенных особенными красителями.

Исследования хромосом человека показали, что многие врожденные уродства и отклонения от нормы связаны с изменением числа хромосом или изменением морфологии отдельных хромосом.

У человека известно очень  много различных аномалий, связанных  с изменением числа или формы  хромосом. Эти заболевания называют хромосомными болезнями. В последнее время медики и генетики разработали методы, позволяющие диагностировать наличие у плода хромосомных и многих биохимических аномалий даже в период беременности.

Биохимические методы. В последние годы показано, что очень многие наследственные патологические состояния у человека связаны с нарушением обмена веществ. Так, известны аномалии углеводородного, аминокислотного, липидного и других типов обмена.

Лечение и предупреждение некоторых наследственных болезней человека.

Лечение наследственных аномалий обмена веществ. Повышенный интерес медицинской генетики к наследственным заболеваниям объясняется тем, что во многих случаях знание биохимических организмов развития заболевания позволяют облегчить страдания больного. Больному вводят несинтезирующиеся в организме ферменты или исключают из пищевых рационов продукты, которые не могут быть использованы вследствие отсутствия в организме необходимых для этого ферментов. Заболевание сахарным диабетом характеризуется повышением сахара в крови вследствие отсутствия инсулина – гормона поджелудочной железы. Это заболевание вызывается рецессивной мутацией. Оно лечится в организм введения инсулина.

Однако следует помнить, что излечивается только болезнь, т.е. фенотипическое проявление вредного гена, и вылеченный человек продолжает оставаться его носителем и может передавать своим потомкам. Сейчас известны более ста заболеваний, которых механизмы биохимических нарушений изучены достаточно подробно. В некоторых случаях современные методы микроанализов позволяют обнаружить такие биохимические нарушения даже в отдельных клетках, а это, в свою очередь, позволяет ставить диагноз о наличии подобных заболеваний у еще не родившегося ребенка по отдельным его клеткам, плавающем в околоплодной жидкости беременной женщины.

Резус-фактор. К числу хорошо изученных признаков человека относится система групп крови. Для примера рассмотрим систему крови «резус». Ген, ответственный за нее, может быть доминантным, когда в крови присутствует белок, называемый резус-фактором, и рецессивным, когда белок не синтезируется. Если резус – отрицательная женщина вступит в брак с резус – положительным мужчиной, ее ребенок может оказаться тоже резус – положительным. При этом в организме ребенка будет синтезироваться резус-фактор. Так как кровеносные системы плода и матери сообщаются, этот белок будет поступать в материнский организм. Для иммунной системы матери этот белок будет поступать в материнский организм, поэтому она начинает вырабатывать против него антитела. Эти антитела будут разрушать кроветворные клетки плода. Продукты их распада токсичны и вызывают отравление, как материнского организма, так и плода. Это может быть причиной гибели плода или рождения ребенка с глубокой степенью умственной отсталости.

Выяснение характера  наследования этой системы крови  и ее биохимической природы позволило  разработать медицинские методы, избавившие человечество от огромного  количества ежегодных детских смертей.

Нежелательность родственных  браков. В современном обществе родственные браки сравнительно редки. Однако есть области, где в силу географических, социальных, экономических или других причин небольшие контингенты населения в течение многих поколений живут изолированно. Статистика свидетельствует, что у родителей, состоящих в родстве, вероятность рождения детей, пораженных теми или иными наследственными недугами, или частота ранней детской смертности в десятки, а иногда даже в сотни раз выше, чем в неродственных браках.

Генетическая информация. Удвоение ДНК.

Современная биология показала, что в своей основе сходство и  различие организмов определяются, в  конечном счете, набором белков. Чем  ближе организмы друг другу в систематическом положении, тем более сходы их белки.

Известно, что в эритроцитах (красных кровяных клетках дисковидной формы) содержится белок гемоглобин, который доставляет кислород ко всем клеткам тела. Это сложный белок. Каждая его молекула состоит из четырех полипептидных цепей. У людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием – серповидноклеточной анемией, эритроциты похожи не на диски, как обычно, а на серпы. Причина изменения формы клетки – в различии первичной структуры гемоглобина у больных и здоровых людей. В чем это различие? В двух из четырех цепей нормального гемоглобина на шестом месте стоит глутаминовая кислота. При серповидноклеточной анемии она заменена на аминокислоту валин. Из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, заменены только две. Но это приводит к существенному изменению третичной и четвертичной структуры белка и, как следствие, к изменению формы и нарушению функции эритроцита. Серповидные эритроциты плохо справляются со своей задачей – переносом кислорода.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота.

ДНК – матрица для синтеза белков. Каким же образом в эритроцитах здорового человека образуются миллионы идентичных молекул гемоглобина, как правило, без единой ошибки расположенной анемией все молекулы гемоглобина имеют одну и ту же ошибку в одном том же месте?

Роль матрицы в клетках  в живых организмах выполняют молекулы ДНК. ДНК каждой клетки несет информацию не только о структурных белках, определяющих форму, но и о всех белках – ферментов, белках – гормонах и других белках.

Углеводы и липиды образуются в клетке в результате сложных химических реакций, каждая из которых катализируется своим белком – ферментом. Владея информацией о ферментах, ДНК программирует структуру и других органических соединений, а также управляет процессами их синтеза и расщепления.

Поскольку молекулы ДНК  являются матрицами для синтеза всех белков, В ДНК заключена информация о структуре и деятельности клетках, обо всех признаках каждой клетки и организма в целом.

Каждый белок представлен одной или несколькими полипептидными цепями. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одной полипептидной цепи, т. е. в большинстве случаев одного белка, называют геном. Каждая молекула ДНК содержится множество разных генов. Всю информацию, заключенную в молекулах ДНК, называют генетической.

Удвоение ДНК. Молекулы ДНК обладают поразительным свойством, не присущим ни одной другой из известных молекул, - способностью к удвоению. С помощью специальных ферментов водородные связи, скрепляющие нити ДНК, разрываются, нити расходятся и к каждому нуклеотиду каждой из этих нитей последовательно пристраиваются комплементарные нуклеотиды. Разошедшиеся нити исходной (материнской) молекулы ДНК являются матричными – они задают порядок расположения нуклеотидов во вновь синтезируемой цепи. В результате действия сложного набора ферментов происходит соединение нуклеотидов друг с другом. При этом образуются новые нити ДНК, комплементарные каждые из разошедшихся цепей. Таким образом, в результате создаются две двойные спирали ДНК (дочерние молекулы), каждая из них имеет одну нить, полученной от материнской молекулы, и одну нить, синтезированную вновь.

Процесс матричного синтеза  ДНК, осуществляемые ферментами ДНК  – полимеразами, называют репликацией.

Дочерние молекулы ДНК  ничем не отличаются друг от друга  и от материнской молекулы. При  делении клетки дочерние молекулы расходятся по двум образующимся клеткам, каждая из которых вследствие этого будет иметь ту же информацию, которая содержалась в материнской клетке. Так как гены – это участки молекул ДНК, то две дочерние клетки, образующиеся при делении, имеют одинаковые гены.

Каждая клетка многоклеточного  организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, поэтому все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Случайно возникшая ошибка в гене зародышевой клетки будет воспроизведена в генах  миллионов ее потомков. Вот почему эритроциты больного серповидноклеточной анемией имеют одинаково «испорченный» гемоглобин. Дети, больные анемией, получают «испорченные» гены от родителей через их половые клетки. Информация, заключенная в ДНК клеток (генетическая информация), передается не только из клетки в клетку, но и от родителей к детям. Ген является единицей генетической, или наследственной, информации.

Образование информационной РНК по матрице ДНК.  Генетический код.