ГЕНЕТИКА ВВЕДЕНИЕ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ Генетика-наука о законах

ГЕНЕТИКА (ВВЕДЕНИЕ) ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ

Генетика-наука о законах наследственности и изменчивости живых организмов на всех уровнях его организации и существования молекулярном, клеточном, организменном, популяционном. Понятия «наследственность» и «изменчивость» неразрывно связаны между собой.

Наследственность – свойства организмов повторять в ряду поколений признаки, сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. Наследственность обеспечивает воспроизведение нового поколения в строгих формах исходного вида за счет передачи наследственной информации о признаках и свойствах. Наследственность - свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями.

Мономорфные признаки в норме представлены одним вариантом (Например у наземных животных одна голова, две пары передних и две пары задних конечностей, на каждой конечности по пять пальцев). Отклонение от нормального варианта – это аномалия или даже уродство.

Полиморфные признаки в норме представлены двумя и более вариантами. Например, люди различаются по цвету глаз (карие, голубые и множество оттенков), цвету волос (черные, каштановые, русые, рыжие, светлые и множество оттенков), группам крови системы АВ 0 (0, А, В, АВ). . . Однако из множества вариантов полиморфного признака не всегда удается выделить «нормальный» (попробуйте доказать, что II группа крови – это норма, а III – аномалия!).

История развития генетики включает донаучные представления , когда древнегреческие ученые и философы не только сообщали о своих наблюдениях, но и выдвигали свои теории. Например, Гиппократ отметил, что рост и качество волос потомков являются таковыми, как у родителей и др. Он считал, что мужской организм дает семя, а женский – вместилище для плода.

Аристотель считал, что мужской организм запускает действие, а женский представляет материал. Когда мужское начало сильнее – рождается сын, и наоборот. Далее всех пошел Платон, который утверждал, что дети получают определенные признаки от обоих родителей и тщательный подбор супругов будет способствовать проявлению лучших черт родителей у детей, а тщательное воспитание будет способствовать их правильному развитию.

В средние века, которые считаются началом научного периода, появлялись более зрелые теории, приближающиеся к современным. Особого внимания заслуживает английский исследователь Адамс, который ввел в медицину замечательные выводы: 1. Существуют врожденные семейные болезни (рецессивные) и наследственные (доминантные). 2. Если семейные (рецессивные) болезни возникают, то часто родители состоят в близком родстве. 3. Наследственные болезни могут развиться в любом возрасте.

4. Некоторые болезни предрасположенности развиваются только при дополнительном воздействии каких-либо внешних факторов. 5. Учет особенностей развития болезней(например, в каком-либо возрасте) может быть использован в генетическом прогнозировании. 6. Одинаковые по своим клиническим проявлениям могут иметь разную генетическую основу. 7. Повышенная частота возникновения семейных заболеваний может быть обусловлена имбридингом (близкородственное скрещивание) 8. Репродуктивная способность у больных с наследственными заболеваниями снижена.

Большой вклад в развитие генетики внесли исследования Грегора Менделя, который открыл три закона: 1. Закон единообразия гибридов; 2. Закон расщепления; 3. Закон независимого комбинирования

Современная генетика началась с открытия групп крови в 1900 г Ландштейнером, затем в 1911 г было подтверждено, что группы крови наследуются, а в 1924 г Бернштейн установил, что система АВО контролируется множеством аллелей. Затем Левин, Виннер и Ландштейнер обнаружили резус-фактор и связали с резусконфликтом гемолитическую желтуху новорожденных.

Структура современной генетики и ее значение Вся генетика (как и любая наука) подразделяется на фундаментальную и прикладную. Фундаментальная генетика изучает общие закономерности наследования признаков у лабораторных, или модельных видов: прокариот (например, кишечной палочки), плесневых и дрожжевых грибов, дрозофилы, мышей и некоторых других.

К фундаменатльной генетике относятся следющие разделы: 1. Классическая формальная генетика; 2. Цитогенетика; 3. Молекулярная генетика; 4. Генетика мутагенеза( в том числе радиационная и химическая); 5. Эволюционная генетика; 6. Генетика популяций; 7. Генетика индивидуального развития;

8. Генетика поведения; 9. Экологическая генетика ; 10. Математическая генетика; 11. Космическая генетика (изучает действие на организм космических факторов: космических излучений, длительной невесомости и др. ).

В прикладной генетике различают: 1. Генетика растений: дикорастущих и культурных: (пшеница, рожь, ячмень, кукуруза; яблони, груши, сливы, абрикосы – всего около 150 видов). 2. Генетика животных: диких и домашних животных (коров, лошадей, свиней, овец, кур – всего около 20 видов) 3. Генетика микроорганизмов (вирусов, прокариот, низших эукариот – десятки видов). 4. В особый раздел частной генетики выделяется генетика человека (медицинская генетика).

Медицинская генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости человека под углом зрения патологии. Клиническая генетика изучает вопросы патогенеза, клиники, диагностики, лечения, профилактики наследственных заболеваний.

Генетика человека является теоретической основой современной медицины и современного здравоохранения. Известно несколько тысяч собственно генетических заболеваний, которые почти на 100% зависят от генотипа особи. К наиболее страшным из них относятся: кислотный фиброз поджелудочной железы, фенилкетонурия, галактоземия, различные формы кретинизма, гемоглобинопатии, а также синдромы Дауна, Тернера, Клейнфельтера. Кроме того, существуют заболевания, которые зависят и от генотипа, и от среды: ишемическая болезнь, сахарный диабет, ревматоидные заболевания, язвенные болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, многие онкологические заболевания, шизофрения и другие заболевания психики.

Методы генетики: 1. Гибридологический анализ. Основу генетического анализа составляет гибридологический анализ, основанный на анализе наследования признаков при скрещиваниях. 2. Цитогенетический метод. Заключается в цитологическом анализе генетических структур и явлений на основе гибридологического анализа с целью сопоставления генетических явлений со структурой и поведением хромосом и их участков (анализ хромосомных и геномных мутаций, построение цитологических карт хромосом, цитохимическое изучение активности генов и т. п. ). Частные случаи цитогенетического метода – кариологический, кариотипический, геномный анализ.

3. Популяционный метод. На основе популяционного метода изучают генетическую структуру популяций различных организмов: количественно оценивают распределение особей разных генотипов в популяции, анализируют динамику генетической структуры популяций под действием различных факторов (при этом используют создание модельных популяций). 4. Молекулярно-генетический метод представляет собой биохимическое и физико-химическое изучение структуры и функции генетического материала и направлен на выяснение этапов пути «ген - признак» и механизмов взаимодействия различных молекул на этом пути.

5. Мутационный метод позволяет изучать особенности закономерностей и механизмы мутагенеза. 6. Генеалогический метод ( позволяет проследить наследование признаков в семьях), составляет основу заключений при медико-генетическом консультировании. 7. Близнецовый метод (заключается в анализе и сравнении изменчивости признаков в пределах различных групп близнецов, позволяет оценить роль генотипа и внешних условий в наблюдаемой изменчивости.

В генетическом анализе используют и многие другие методы: онтогенетический, иммуногенетический, сравнительно-морфологические и сравнительнобиохимические методы, методы биотехнологии, разнообразные математические методы и т. д.

Кле тка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию

Клетки делятся на прокариотические (предъядерные) , особенностью которых является отсутствие оформленного ядра, а генетический материал прокариот представлен одной молекулой ДНК, замкнутой в кольцо, и эукариотические, имеющие ядра с ядерной оболочкой и цитоплазму с органеллами. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Более высокоорганизованные живые организмы, включая человека, имеют в своем составе эукариотические клетки.

Содержимое эукариотической клетки отделено от окружающей среды гликокаликсом, плазматической мембраной (биологической мембраной), или плазмалеммой и кортикальным слоем цитоплазмы. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, ядро. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Гликокаликс представляет собой «заякоренные» в плазмалемме молекулы олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов. Гликокаликс выполняет рецепторную и маркерную функции.

Плазматическая мембрана животных клеток в основном состоит из фосфолипидов и липопротеидов со вкрапленными в неё молекулами белков, в частности, поверхностных антигенов и рецепторов.

Клеточные мембраны отделяют клеточное содержимое от внешней среды, регулируют обмен между клеткой и средой, обеспечивают постоянство внутриклеточного состава, делят клетку на отсеки (копмартменты). Клетка участвует в формировании контактов с другими клетками. Различные молекулярные частицы перемещаются через мембрану путем активного или пассивного транспорта.

Липидный бислой проницаем в основном для жирорастворимых соединений и газов, гидрофильные вещества переносятся через мембраны с помощью специальных механизмов: низкомолекулярные – с помощью разнообразных переносчиков (каналов, насосов и др. ), а высокомолекулярные – с помощью процессов экзо- и эндоцитоза

Эндоцитоз – это перенос в клетку высокомолекулярных соединений внешней среды, окруженных участком мембраны. Обратный процесс, то есть экзоцитоз – это перенос веществ из клетки наружу.

В кортикальном (прилегающем к плазматической мембране) слое цитоплазмы находятся специфические элементы цитоскелета — упорядоченные определённым образом актиновые микрофиламенты. Основной и самой важной функцией кортикального слоя (кортекса) являются псевдоподиальные реакции: выбрасывание, прикрепление и сокращение псевдоподий.

Внутреннее пространство клетки заполнено цитоплазмой и строго упорядочено. Передвижение органоидов координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков динеинов и кинезинов, играющих роль «двигателей» .

Ядро Клеточное ядро содержит ядерную оболочку, хроматин (хромосомы), ядрышко. Хроматин представляет комплекс белка и ДНК, на которых записана генетическая информация организма. В ядре происходит репликация — удвоение молекул ДНК, а также транскрипция — синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации (например, в процессе сплайсинга из молекул матричной РНК исключаются незначащие, бессмысленные участки), после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в ядрышках.

Структура хроматина: 1. -нуклеосома; 2. -ДНК

Оболочка ядра имеет внутреннюю и внешнюю мембраны, которые сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой. Внутренняя стенка ядерной оболочки имеет жесткую белковую структуру, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК.

Ядрышко – самая плотная структура ядра, являющаяся производным хромосомы, одним из ее локусов с наиболее высокой активностью синтеза РНК в интерфазе. В ядрышке образуются р. РНК и рибосомы.

Аппарат Гольджи представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. В цистернах аппарата Гольджи созревают некоторые белки, предназначенные для секреции или образования лизосом. Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки, при помощи пузырьков происходит перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой.

Аппарат Гольджи: 1 -пузырьки; 2 -цистерны.

Лизосомы Лизосома— небольшое тельце, ограниченное от цитоплазмы одинарной мембраной. В ней находятся литические ферменты, способные расщеплять все биополимеры.

Цитоскелет К элементам цитоскелета относят белковые фибриллярные структуры, расположенные в цитоплазме клетки: микротрубочки, актиновые и промежуточные филаменты. . Микротрубочки принимают участие в транспорте органелл, из микротрубочек строится митотическое веретено деления. Актиновые филаменты необходимы для поддержания формы клетки, псевдоподиальных реакций. Роль промежуточных филаментов, по-видимому, также заключается в поддержании структуры клетки.

Центриоли представляют собой цилиндрические белковые структуры, расположенные вблизи ядра клеток животных (у растений центриолей нет, за исключением низших водорослей). Центриоль представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого образована девятью наборами микротрубочек. Вокруг центриолей находится так называемый центр организации цитоскелета – район, в котором группируются концы микротрубочек клетки.

1 -цитоплазма; 2 -ядро; 3 -клеточный центр.

Митохондрии — особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ — универсального носителя энергии. Дыхание (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) происходит также за счёт энзиматических систем митохондрий.

Микротельца составляют сборную группу органелл. Они представляют собой пузырьки диаметром 100— 150 нм, отграниченные одной мембраной. Содержат мелкозернистый матрикс и нередко белковые включения. К таким органеллам можно отнести и пероксисомы. В них содержатся ферменты группы оксидаз, которые регулируют образование пероксида водорода (в частности, каталаза).

Рибосома – не простой органоид. Это крупный внутриклеточный ансамбль макромолекул, который отвечает в клетке за трансляцию – процесс биосинтеза полипептидных цепей на матрице информационной РНК. В состав рибосомы входит собственная, рибосомальная РНК (р. РНК), а также белки. Большинство рибосом локализованы в цитоплазме. Именно они придают цитоплазме «зернистость» .

ОСНОВЫ ЦИТОГЕНЕТИКИ

При наблюдении некоторых живых клеток внутри ядра выявляются зоны плотного веществхроматин. В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. В интерфазных клетках хроматин может равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Особенно четко он выявляется на периферии ядра (пристеночный, примембранный хроматин) или образует внутри ядра в виде переплетения довольно толстых (около 0. 3 мкм) и длинных тяжей, образующих подобие внутриядерной цепи.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой тельца, несущие ДНК (хромосомы). Хромосомы (от хромо. . . и сома) - органоиды клеточного ядра, совокупность которых определяет основные наследственные свойства клеток и организмов. Полный набор хромосом в клетке, характерный для данного организма, называется кариотипом. В любой клетке тела большинства животных и растений каждая хромосома представлена дважды: одна из них получена от отца, другая - от матери при слиянии ядер половых клеток в процессе оплодотворения.

Такие хромосомы называются гомологичными, набор гомологичных хромосом - диплоидным. В хромосомном наборе клеток раздельнополых организмов присутствует пара (или несколько пар) половых хромосом, как правило, различающихся у разных полов по морфологическим признакам; остальные хромосомы называются аутосомами. У млекопитающих в половых хромосомах локализованы гены, определяющие пол организма.

Размеры хромосом у разных организмов разные. Длина хромосом может колебаться от 0, 2 до 50 мкм. Число хромосом тоже различное, но при этом постоянное для каждого вида животных или растений. Совокупность числа, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида.

Хромосомы формируются из хроматина при делении клетки на определенной стадии клеточного цикла, называемой митозом. Хромосомы в этом состоянии представляют собой компактные палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом имеется перетяжка, которая делит хромосому на два плеча. В области перетяжки расположена важная для удвоения хромосом структура, называемая центромерой

Центромера делит хромосому поперек на две частиплечи, которые бывают короткими (р) и длинными (q). В зависимости от расположенгия центромеры различают 4 типа хромосом: 1. Метацентрические – центромера расположена в середине хромосомы и плнчи имеют одинаковый размер (р=q); 2. Субметацентрические , центромера у которых сдвинута к одному концу хромосомы. При этом различают короткие и длинные плечи (р< q); 3. Акроцентрические, когда визуально можно у хромосомы определить только длинные плечи, короткие практически незаметные; 4. Телоцентрические (палочковидные хромосомы с центромерой, расположенной на проксимальном конце).

Некоторые хромосомы могут иметь дополнительные перетяжки, которые называются вторичными. Если вторичная перетяжка располагается близко к концу хромосомы, то отделяемый участок на конце хромосомы называется спутником. У человека спутники имеются у пяти пар хромосом ( 13 -15, 21 -22).

Все хромосомы делятся на 7 групп: А-три пары самых крупных хромосом (1 -3); В- 2 пары (4 -5); С- 6 -12 и Х; D- 13 -15; Е- 16 -18; F – 19 -20; G- 21 -22, Y.

Каждая хромосома представлена одной молекулой ДНК. Молекула ДНК плотно упакована в хромосомах, благодаря белкам гистонам, которые располагаются по длине молекулы ДНК в виде блоков. В один блок входит 8 молекул гистонов, которые образуют нуклеосому.

Нуклеосому можно представить в виде цилиндра с двумя витками ДНК, закрученными снаружи вокруг него.

На каждый виток молекулы ДНК приходится 6 нуклеосом.

Через белок может осуществляться контакт последовательностей ДНК, находящихся в различных витках на нуклеосоме.

Участки хромосом сохраняют спирализацию и имеют интенсивное окрашивание и в интерфазных клетках. Тонкая структура хромосом состоит из ДНК, белка и небольшого количества РНК. Комплекс ДНК с белком называют хроматином. Хроматин может иметь различную степень конденсации. Конденсированный хроматин называют гетерохроматином. Деконденсированный хроматин называют эухроматином. Гетерохроматиновые участки не имеют генетической информации, отвечающей за синтез белка. Они функционально менее активны, чем эухроматиновые участки, в которых локализована большая часть генов. Удвоение этих участков происходит намного позже по сравнению с другими частями хроматина.

Гетерохроматин подразделяется на два класса: структурный и факультатитвный. Структурный гетерохроматин располагается в околецентромерных районах всех хромосом ( 46 у человека). Он выполняет защитные фукнции и участвует в стабилизации структуры хроматина. В этой части хромосомы практически нет генетических структур.

Факультативный гетерохроматин появляется не во всех клетках при сверхспирализации эухроматических районов. Такой уплотненный участок обнаруживается в одной Х-хромосоме женского организма. Гетерохроматин Yхромосомы и факультативный называется половым хроматином. Число телец факультативного гетерохроматина всегда на одну единицу меньше количества Х-хромосом, а Y-гетерохроматин указывает на наличие в этом организме Y-хромосомы.

Весь другой хроматин клеточного ядра называется эухроматином. Он состоит из деспирализованных нитей и содержит основную часть наследственной информации, определяющей признаки организма. Пол с генотипом ХХ называют гомогаметным, так у него образуются одинаковые гаметы, содержащие только Х-хромосомы. Пол с генотипом ХY – гетерогаметным, так как половина гамет содержит Х-хромосому, а половина Y-хромосому.

У человека генотипический пол определяют неделящиеся клетки. Одна Х-хромосома всегда оказывается в активном состоянии и имеет обычный вид, а вторая, если она имеется, находится в покоящемся состоянии в виде плотного темноокрашенного тельца, называемого тельцем Барра. Число телец Барра всегда на единицу меньше числа наличных Х-хромосом. У мужских особей (ХY) их нет, у женских (ХХ)– одно. Y-хромосома у человека контролирует дифференцирвку семенников и содержит мало генов.