odnosi se na mutacije gena. Što je mutacija

Mutacijska varijabilnost javlja se u slučaju pojave mutacija – trajnih promjena genotipa (tj. molekula DNA), koje mogu utjecati na cijele kromosome, njihove dijelove ili pojedinačne gene.

Mutacije mogu biti korisne, štetne ili neutralne. Prema suvremenoj klasifikaciji, mutacije se obično dijele u sljedeće skupine.

1. Genomske mutacije povezana s promjenom broja kromosoma. Posebno je zanimljiva POLIPLOIDIJA - višestruko povećanje broja kromosoma, t.j. umjesto skupa 2n kromosoma pojavljuje se skup od 3n,4n,5n ili više. Pojava poliploidije povezana je s kršenjem mehanizma stanične diobe. Konkretno, nedisjunkcija homolognih kromosoma tijekom prve diobe mejoze dovodi do pojave gameta s 2n setom kromosoma.

Poliploidija je raširena u biljkama, a znatno rjeđe u životinja (okrugla glista, svilena buba, neki vodozemci). Poliploidne organizme, u pravilu, karakteriziraju veće veličine, povećana sinteza organskih tvari, što ih čini posebno vrijednim za uzgoj.

Promjena broja kromosoma povezana s dodavanjem ili gubitkom pojedinih kromosoma naziva se aneuploidija. Aneuploidna mutacija se može napisati kao 2n-1, 2n+1, 2n-2, itd. Aneuploidija je karakteristična za sve životinje i biljke. Kod ljudi su brojne bolesti povezane s aneuploidijom. Na primjer, Downova bolest povezana je s prisutnošću dodatnog kromosoma u 21. paru.

2. Kromosomske mutacije - ovo je preuređenje kromosoma, promjena njihove strukture. Odvojeni dijelovi kromosoma mogu se izgubiti, udvostručiti, promijeniti svoj položaj.

Shematski se to može prikazati na sljedeći način:

ABCDE normalan red gena

ABBCDE duplikacija segmenta kromosoma

Gubitak ABDE jednog dijela

ABEDC okret za 180 stupnjeva

Razmjena ABCFG regije s nehomolognim kromosomom

Poput genomskih mutacija, kromosomske mutacije igraju veliku ulogu u evolucijskim procesima.

3. Genske mutacije povezana s promjenom sastava ili slijeda nukleotida DNA unutar gena. Genske mutacije su najvažnije od svih kategorija mutacija.

Sinteza proteina temelji se na korespondenciji između rasporeda nukleotida u genu i redoslijeda aminokiselina u proteinskoj molekuli. Pojava genskih mutacija (promjene u sastavu i slijedu nukleotida) mijenja sastav odgovarajućih enzimskih proteina i kao rezultat toga dovodi do fenotipskih promjena. Mutacije mogu utjecati na sve značajke morfologije, fiziologije i biokemije organizama. Mnoge ljudske nasljedne bolesti također su uzrokovane mutacijama gena.

Mutacije u prirodnim uvjetima su rijetke - jedna mutacija određenog gena na 1000-100000 stanica. Ali mutacijski proces je u tijeku stalno dolazi do stalnog nakupljanja mutacija u genotipovima. A ako uzmemo u obzir da je broj gena u tijelu velik, onda možemo reći da u genotipovima svih živih organizama postoji značajan broj genskih mutacija.

Mutacije su najveći biološki čimbenik koji određuje ogromnu nasljednu varijabilnost organizama, što daje materijal za evoluciju.

Uzroci mutacija mogu biti prirodni poremećaji u staničnom metabolizmu (spontane mutacije), kao i djelovanje različitih čimbenika. vanjsko okruženje(inducirane mutacije). Čimbenici koji uzrokuju mutacije nazivaju se mutageni. Mutageni mogu biti fizički čimbenici- zračenje, temperatura... Biološki mutageni uključuju viruse koji mogu prenositi gene između organizama ne samo bliskih, već i udaljenih sustavnih skupina.

Ljudska gospodarska aktivnost donijela je ogromnu količinu mutagena u biosferu.

Većina mutacija je nepovoljna za život pojedinca, ali ponekad se javljaju mutacije koje bi mogle biti zanimljive znanstvenicima u uzgoju. Trenutno su razvijene metode mutageneze usmjerene na mjesto.

1. Prema prirodi promjene fenotipa, mutacije mogu biti biokemijske, fiziološke, anatomske i morfološke.

2. Prema stupnju prilagodljivosti mutacije se dijele na korisne i štetne. Štetno - može biti smrtonosno i uzrokovati smrt organizma čak iu embrionalnom razvoju.

Češće su mutacije štetne, jer su svojstva obično rezultat selekcije i prilagođavanja organizma okolini. Mutacija uvijek mijenja prilagodbu. Stupanj njegove korisnosti ili beskorisnosti određuje vrijeme. Ako mutacija omogućuje organizmu bolju prilagodbu, daje novu šansu za preživljavanje, tada se selekcijom "pokupi" i fiksira u populaciji.

3. Mutacije su izravne i obrnute. Potonji su mnogo rjeđi. Obično je izravna mutacija povezana s defektom u funkciji gena. Vjerojatnost sekundarne mutacije u suprotnom smjeru na istoj točki je vrlo mala, drugi geni češće mutiraju.

Mutacije su češće recesivne, jer se dominantne pojavljuju odmah i lako se "odbacuju" selekcijom.

4. Prema prirodi promjene genotipa, mutacije se dijele na genske, kromosomske i genomske.

Genske, odnosno točkaste, mutacije - promjena nukleotida u jednom genu u molekuli DNA, što dovodi do stvaranja abnormalnog gena, a posljedično, abnormalne strukture proteina i razvoja abnormalne osobine. Genska mutacija je rezultat "greške" u replikaciji DNK.

Rezultat mutacije gena kod ljudi su bolesti kao što su anemija srpastih stanica, fenilketonurija, sljepoća za boje, hemofilija. Kao rezultat mutacije gena nastaju novi aleli gena, što je važno za evolucijski proces.

Kromosomske mutacije - promjene u strukturi kromosoma, kromosomski preustroj. Mogu se razlikovati glavne vrste kromosomskih mutacija:

a) delecija - gubitak segmenta kromosoma;

b) translokacija - prijenos dijela kromosoma na drugi nehomologni kromosom, kao rezultat - promjena vezne skupine gena;

c) inverzija - rotacija kromosomskog segmenta za 180 °;

d) duplikacija – udvostručavanje gena u određenoj regiji kromosoma.

Kromosomske mutacije dovode do promjene u funkcioniranju gena i važne su u evoluciji vrste.

Genomske mutacije - promjene u broju kromosoma u stanici, pojava viška ili gubitak kromosoma kao posljedica kršenja u mejozi. Višestruko povećanje broja kromosoma naziva se poliploidija (3n, 4/r, itd.). Ova vrsta mutacije je česta u biljkama. Mnoge kultivirane biljke su poliploidne u odnosu na svoje divlje pretke. Povećanje kromosoma za jedan ili dva kod životinja dovodi do anomalija u razvoju ili smrti organizma. Primjer: Downov sindrom kod ljudi - trisomija za 21. par, ukupno ima 47 kromosoma u stanici. Mutacije se mogu dobiti umjetno uz pomoć zračenja, rendgenskih zraka, ultraljubičastog zračenja, kemijskih sredstava i toplinskog izlaganja.

Zakon homoloških nizova N.I. Vavilov. Ruski biolog N.I. Vavilov je ustanovio prirodu pojave mutacija u blisko srodnim vrstama: „Genetski bliske rodove i vrste karakteriziraju slični nizovi nasljedne varijabilnosti s takvom pravilnošću da se, znajući broj oblika unutar jedne vrste, može predvidjeti prisutnost paralelni oblici u drugim vrstama i rodovima."

Otkriće zakona olakšalo je potragu za nasljednim devijacijama. Poznavajući varijabilnost i mutacije u jednoj vrsti, može se predvidjeti mogućnost njihove pojave u srodnim vrstama, što je važno u uzgoju.



Genske mutacije. Koncept genskih bolesti.

1. Definicija varijabilnosti. Klasifikacija njegovih oblika.

Varijabilnost je zajedničko svojstvo živih organizama, koje se sastoji u promjeni nasljednih osobina tijekom ontogeneze (individualnog razvoja).

Varijabilnost organizama dijeli se na dva veliki tip:

1. fenotipski, ne utječu na genotip i nisu naslijeđeni;

2. genotipski, mijenjajući genotip i stoga naslijeđen.

Genotipska varijabilnost se dijeli na kombinativnu i mutacijsku.

Mutacijska varijabilnost uključuje genomske, kromosomske i genske mutacije.

Genomske mutacije se dijele na poliploidiju i aneuploidiju

Kromosomske mutacije se dijele na delecije, duplikacije, inverzije, translokacije

2. Fenotipska varijabilnost. Brzina reakcije genetski uvjetovanih osobina. Prilagodljiva priroda modifikacija. Fenokopije.

Fenotipska varijabilnost (ili nenasljedna, modifikacija) je promjena fenotipskih karakteristika organizma pod utjecajem okolišnih čimbenika, bez promjene genotipa.

Na primjer: boja dlake himalajskog zeca, ovisno o temperaturi staništa.

Brzina reakcije je raspon varijabilnosti unutar kojeg je isti genotip sposoban proizvesti različite fenotipove.

1. široka stopa reakcije - kada fluktuacije atributa idu u širok raspon (na primjer: opekline od sunca, količina mlijeka).

2. uska brzina reakcije - kada su fluktuacije osobine neznatne (na primjer: sadržaj mliječne masti).

3. nedvosmislena brzina reakcije - kada se znak ne mijenja, ni pod kojim uvjetima (na primjer: krvne grupe, boja očiju, oblik očiju).

Prilagodljiva priroda modifikacija leži u činjenici da varijabilnost modifikacije omogućuje tijelu da se prilagodi promjenjivim uvjetima okoline. Stoga su modifikacije uvijek korisne.

Ako tijekom embriogeneze na tijelo utječu štetni čimbenici, tada se mogu pojaviti fenotipske promjene koje nadilaze normu reakcije i nisu adaptivne prirode, nazivaju se razvojnim morfozama. Na primjer, dijete se rađa bez udova ili s rascjepom usne.

Fenokopije su razvojne morfoze koje je vrlo teško razlikovati od nasljednih promjena (bolesti).

Na primjer: ako je trudnica bila bolesna od rubeole, može imati dijete s mrenom. Ali ova se patologija može pojaviti i kao posljedica mutacije. U prvom slučaju govorimo o fenokopiji.

Dijagnoza "fenokopije" važna je za buduću prognozu, budući da se fenokopijom genetski materijal ne mijenja, odnosno ostaje normalan.

3. Kombinativna varijabilnost. Vrijednost kombinirane varijabilnosti u osiguravanju genetske raznolikosti ljudi.

Kombinacijska varijabilnost je pojava u potomstvu novih kombinacija gena koje njihovi roditelji nisu imali.

Promjenjivost kombinacije povezana je sa:

s prijelazom u profazu mejoze 1.

s neovisnom divergencijom homolognih kromosoma u anafazi mejoze 1.

s slučajnom kombinacijom gameta tijekom oplodnje.

Vrijednost kombinativne varijabilnosti – osigurava genetsku raznolikost jedinki unutar vrste, što je važno za prirodnu selekciju i evoluciju.

4. Mutacijska varijabilnost. Glavne odredbe teorije mutacija.

Hugo de Vries, nizozemski znanstvenik skovao je izraz "mutacija" 1901. godine.

Mutacija je fenomen povremene nagle promjene nasljednog svojstva.

Proces nastanka mutacija naziva se mutageneza, a organizam koji u procesu mutageneze stječe nova svojstva naziva se mutant.

Glavne odredbe teorije mutacija prema Hugu de Vriesu.

1. mutacije se javljaju iznenada bez ikakvih prijelaza.

2. dobiveni oblici su dosta postojani.

3. Mutacije su kvalitativne promjene.

4. Mutacije se javljaju u različitim smjerovima. mogu biti i korisni i štetni.

5. iste se mutacije mogu ponavljati.

5. Klasifikacija mutacija.

I. Po podrijetlu.

1. Spontane mutacije. Spontane mutacije ili prirodne, javljaju se u normalnim prirodnim uvjetima.

2. Inducirane mutacije. Uzrokovane ili umjetne mutacije nastaju kada su mutageni čimbenici izloženi tijelu.

a. fizikalna (ionizirajuće zračenje, UV, toplina itd.)

b. kemijski (soli teških metala, dušična kiselina, slobodni radikali, kućni i industrijski otpad, lijekovi).

II. Po mjestu porijekla.

a. Somatske mutacije nastaju u somatskim stanicama i nasljeđuju ih potomci onih stanica u kojima su nastale. Ne prenose se s koljena na koljeno.

b. Generativne mutacije javljaju se u zametnim stanicama i prenose se s generacije na generaciju.

III. Po prirodi promjene fenotipa.

1. Morfološke mutacije, karakterizirane promjenom strukture organa ili organizma u cjelini.

2. Fiziološke mutacije koje karakterizira promjena f-ti organ ili organizam u cjelini.

3. Biokemijske mutacije povezane s promjenom makromolekule.

IV. Utjecaj na vitalnost organizma.

1. Smrtonosne mutacije u 100% slučajeva dovode do smrti organizma zbog mana nespojivih sa životom.

2. Poluletalne mutacije dovode do smrti u 50-90% slučajeva. Obično organizmi s takvim mutacijama ne prežive do reproduktivnog razdoblja.

3. Uvjetno smrtonosne mutacije, u nekim stanjima organizam umire, ali u drugim preživi (galaktozemija).

4. Korisne mutacije povećavaju vitalnost organizma i koriste se u uzgoju.

v. Po prirodi promjene nasljednog materijala.

1. Genske mutacije.

2. Kromosomske mutacije.

6. Genske mutacije, definicija. Mehanizmi nastanka spontanih genskih mutacija.

Genske mutacije ili točkaste mutacije su mutacije koje se javljaju u genima na razini nukleotida, pri čemu se mijenja struktura gena, mijenja se molekula mRNA, mijenja se slijed aminokiselina u proteinu, mijenja se osobina u tijelu.

Vrste genskih mutacija:

- missense mutacije - zamjena 1 nukleotida u tripletu drugim dovest će do činjenice da će se u proteinski polipeptidni lanac uključiti još jedna aminokiselina, što inače ne bi trebalo biti, a to će dovesti do promjena u svojstvima i funkcijama proteina .

Primjer: zamjena glutaminske kiseline valinom u molekuli hemoglobina.

CTT - glutaminska kiselina, CAT - valin

Ako se takva mutacija dogodi u genu koji kodira β lanac proteina hemoglobina, tada je u β lanac umjesto glutaminske kiseline uključen valin → kao rezultat takve mutacije mijenjaju se svojstva i funkcije proteina hemoglobina i HbS. pojavljuje se umjesto normalnog HbA, kao rezultat toga, osoba se razvija anemija srpastih stanica(promijene se oblik crvenih krvnih stanica).

- gluposti mutacije – zamjena 1 nukleotida u tripletu drugim će uzrokovati da se genetski značajan triplet pretvori u stop kodon, što dovodi do prekida u sintezi proteinskog polipeptidnog lanca. Primjer: UAC - tirozin. UAA je stop kodon.

Mutacije s pomakom u okviru čitanja nasljednih informacija.

Ako se kao rezultat mutacije gena pojavi nova osobina u tijelu (na primjer, polidaktilija), tada se nazivaju neomorfnim.

ako, kao rezultat mutacije gena, tijelo izgubi osobinu (na primjer, enzim nestane tijekom PKU), tada se nazivaju amorfnim.

- seimsens mutacije – zamjena nukleotida u tripletu dovodi do pojave sinonimnog tripleta koji kodira isti protein. To je zbog degeneracije genetskog koda. Na primjer: CTT - glutamin CTC - glutamin.

Mehanizmi nastanka genskih mutacija (zamjena, umetanje, gubitak).

DNK se sastoji od 2 polinukleotidna lanca. Prvo, promjena se događa u 1. lancu DNK - ovo je polu-mutacijsko stanje ili "primarno oštećenje DNK". Svake sekunde u stanici se dogodi 1 primarno oštećenje DNK.

Kada oštećenje prijeđe na drugi lanac DNK, kaže se da je mutacija fiksirana, odnosno da je nastupila “potpuna mutacija”.

Primarno oštećenje DNK nastaje kada su mehanizmi replikacije, transkripcije i križanja poremećeni.

7. Učestalost mutacija gena. Mutacije su izravne i reverzne, dominantne i recesivne.

Kod ljudi je učestalost mutacije = 1x10 -4 - 1x10 -7, odnosno u prosjeku mutira 20-30% ljudskih gameta u svakoj generaciji.

Kod Drosophile, frekvencija mutacije = 1x10 -5, odnosno 1 gameta od 100 tisuća nosi mutaciju gena.

a. Izravna mutacija (recesivna) je mutacija gena iz dominantnog stanja u recesivno stanje: A → a.

b. Reverzna mutacija (dominantna) je mutacija gena iz recesivnog stanja u dominantno stanje: a → A.

Genske mutacije se javljaju u svim organizmima, geni mutiraju u različitim smjerovima, kao i sa različita frekvencija. Geni koji rijetko mutiraju nazivaju se stabilni, a geni koji često mutiraju nazivaju se promjenjivi.

8. Zakon homoloških nizova u nasljednoj varijabilnosti N. I. Vavilova.

Mutacija se javlja u raznim smjerovima, t.j. slučajno. Međutim, ove nesreće podliježu obrascu otkrivenom 1920. godine. Vavilov. Formulirao je zakon homolognih nizova u nasljednoj varijabilnosti.

"Genetski bliske vrste i rodove karakteriziraju slični nizovi nasljedne varijabilnosti s takvom pravilnošću da se, znajući broj oblika unutar jedne vrste, može predvidjeti postojanje paralelnih oblika u drugim vrstama i rodovima."

Ovaj zakon omogućuje predviđanje prisutnosti određene osobine kod pojedinaca različitih rodova iste obitelji. Tako je predviđena prisutnost lupine bez alkaloida u prirodi. u obitelji mahunarki postoje rodovi graha, graška i graha koji ne sadrže alkaloide.

U medicini Vavilovov zakon dopušta korištenje životinja koje su genetski bliske ljudima kao genetskih modela. Postavili su eksperimente na proučavanju genetskih bolesti. Na primjer, katarakte se proučavaju kod miševa i pasa; hemofilija - kod pasa, urođena gluhoća - kod miševa, zamorci, psi.

Vavilovov zakon omogućuje predviđanje pojave induciranih mutacija nepoznatih znanosti, koje se mogu koristiti u oplemenjivanju za stvaranje biljnih oblika vrijednih za ljude.

9. Antimutacijske barijere organizma.

- Točnost replikacije DNK. Ponekad se tijekom replikacije javljaju pogreške, tada se aktiviraju mehanizmi samokorekcije koji su usmjereni na eliminaciju pogrešnog nukleotida. Važnu ulogu igra enzim DNA polimeraza, a stopa pogreške se smanjuje za faktor 10 (s 10–5 na 10–6).

- Degeneracija genetskog koda. 1 aminokiselina može kodirati nekoliko tripleta, tako da zamjena 1 nukleotida u tripletu u nekim slučajevima ne iskrivljuje nasljedne informacije. Na primjer, CTT i CTC su glutaminska kiselina.

- Ekstrahiranje neki geni odgovorni za važne makromolekule: rRNA, tRNA, histonski proteini, t.j. nastaju mnoge kopije ovih gena. Ovi geni su dio umjereno ponavljajućih sekvenci.

- DNK redundancija– 99% je suvišno i mutageni faktor češće upada u ovih 99% besmislenih sekvenci.

- uparivanje kromosoma u diploidnom skupu. U heterozigotnom stanju, mnoge štetne mutacije se ne pojavljuju.

- odstrel mutantne spolne stanice.

- popravak DNK.

10. Popravak genetskog materijala. .

Popravak DNK je uklanjanje primarnog oštećenja DNK i njegova zamjena normalnim strukturama.

Postoje dva oblika reparacije: svijetli i tamni

A. Svjetlosni popravak (ili enzimska fotoreaktivacija). Enzimi za popravak aktivni su samo u prisutnosti svjetlosti. Ovaj oblik popravka ima za cilj uklanjanje primarnog oštećenja DNK uzrokovanog UV svjetlom.

Pod djelovanjem UV svjetla u DNA se aktiviraju pirimidinske dušične baze, što dovodi do stvaranja veza između pirimidinskih dušičnih baza koje se nalaze jedna uz drugu u istom lancu DNK, odnosno nastaju pirimidinski dimeri. Najčešće postoje veze: T=T; T=C; C=C.

Normalno, u DNK nema pirimidinskih dimera. Njihovo formiranje dovodi do toga da se nasljedne informacije iskrivljuju i poremeti normalan tijek replikacije i transkripcije, što potom dovodi do mutacija gena.

Suština fotoreaktivacije: u jezgri se nalazi poseban (fotoreaktivirajući) enzim koji je aktivan samo u prisutnosti svjetlosti, taj enzim uništava pirimidinske dimere, odnosno razbija veze nastale između pirimidinskih dušičnih baza pod utjecajem UV zraka. svjetlo.

Tamni popravak događa se u mraku i na svjetlu, odnosno aktivnost enzima ne ovisi o prisutnosti svjetla. Dijeli se na pre-replikativni popravak i post-replikacijski popravak.

Predreplikacijski popravak događa se prije replikacije DNK, mnogi enzimi su uključeni u ovaj proces:

o Endonukleaza

o egzonukleaza

o DNA polimeraza

o DNA ligaza

1. faza. Enzim endonukleaza pronalazi oštećeno područje i reže ga.

2. faza. Enzim egzonukleaza uklanja oštećeno područje iz DNK (ekscizija), što rezultira prazninom.

3. faza. Enzim DNA polimeraza sintetizira mjesto koje nedostaje. Sinteza se odvija prema principu komplementarnosti.

4. faza. Enzimi ligaze povezuju ili prišivaju novo sintetizirano mjesto za lanac DNA. Tako se eliminira primarno oštećenje u DNK.

Poststreplikativni popravak.

Pretpostavimo da postoji primarno oštećenje u DNK.

1. faza. Počinje proces replikacije DNK. Enzim DNA polimeraze sintetizira novi lanac koji je potpuno komplementaran starom netaknutom lancu.

2. faza. Enzim DNA polimeraze sintetizira još jedan novi lanac, ali zaobilazi mjesto gdje se nalazi oštećenje. Kao rezultat toga, nastao je jaz u drugom novom lancu DNK.

3. faza. Na kraju replikacije, enzim DNA polimeraze sintetizira dio koji nedostaje komplementarnog novog lanca DNA.

4. faza. Enzim ligaza zatim povezuje novosintetiziranu regiju s lancem DNK gdje je bio jaz. Dakle, primarno oštećenje DNK nije prešlo na drugi novi lanac, odnosno mutacija nije postala fiksirana.

Nakon toga, primarno oštećenje DNK može se eliminirati tijekom popravka prije replikacije.

11. Mutacije povezane s poremećenim popravkom DNA i njihova uloga u patologiji.

Sposobnost popravljanja u organizmima je razvijena i konsolidirana tijekom evolucije. Što je veća aktivnost popravljajućih enzima, to je nasljedni materijal stabilniji. Odgovarajući geni su odgovorni za enzime za popravak, pa ako se u tim genima dogodi mutacija, aktivnost enzima za popravak se smanjuje. U tom slučaju, osoba razvija teške nasljedne bolesti koje su povezane sa smanjenjem aktivnosti enzima za popravak.

Postoji više od 100 takvih bolesti u ljudi, a neke od njih su:

Anemija Fanconi- smanjenje broja crvenih krvnih stanica, gubitak sluha, poremećaji u kardiovaskularnom sustavu, deformacija prstiju, mikrocefalija.

Bloomov sindrom - niska porođajna težina, usporavanje rasta, povećana osjetljivost na virusna infekcija, povećan rizik onkološke bolesti. karakteristično obilježje: Pri kratkotrajnom izlaganju sunčevoj svjetlosti na koži lica se pojavljuje pigmentacija u obliku leptira (proširenje krvnih kapilara).

Pigmentna kseroderma- na koži se od svjetlosti pojavljuju opekline koje se ubrzo degeneriraju u karcinom kože (kod takvih bolesnika rak se javlja 20 000 puta češće). Bolesnici su prisiljeni živjeti pod umjetnom rasvjetom.

Učestalost bolesti je 1:250.000 (Europa, SAD), i 1:40.000 (Japan)

Dvije vrste progerije – prerano starenje organizam.

12. Genetske bolesti, mehanizmi njihovog razvoja, nasljeđe, učestalost pojavljivanja.

Bolesti gena (ili molekularne bolesti) prilično su zastupljene kod ljudi, ima ih više od 1000.

posebna grupa među njima su urođeni metabolički nedostaci. Ove bolesti prvi je opisao A. Garode 1902. godine. Simptomi ovih bolesti su različiti, ali uvijek postoji kršenje transformacije tvari u tijelu. U tom slučaju, neke tvari će biti u višku, druge u manjku. Na primjer, tvar (A) ulazi u tijelo i dalje se pod djelovanjem enzima pretvara u tvar (B). Nadalje, tvar (B) bi se trebala pretvoriti u tvar (C), ali to je spriječeno blokadom mutacije

(), kao rezultat toga, tvari (C) će biti u nedostatku, a tvari (B) će biti u višku.

Neki primjeri bolesti povezanih s urođena mana metabolizam.

PKU(fenilketonurija, kongenitalna demencija). Genska bolest, naslijeđena autosomno recesivno, javlja se s učestalošću = 1:10.000. Fenilalanin je esencijalna aminokiselina za izgradnju proteinske molekule i, osim toga, služi kao prekursor hormona Štitnjača(tiroksin), adrenalin i melanin. Aminokiselina fenilalanin u stanicama jetre mora se uz pomoć enzima (fenilalanin-4-hidroksilaze) pretvoriti u tirozin. Ako nema enzima odgovornog za ovu transformaciju, ili je njegova aktivnost smanjena, tada će se sadržaj fenilalanina u krvi naglo povećati, a sadržaj tirozina smanjiti. Višak fenilalanina u krvi dovodi do pojave njegovih derivata (feniloctena, fenillaktična, fenilpirogrožđana i druge ketonske kiseline), koji se izlučuju mokraćom, a također imaju toksični učinak na stanice središnjeg živčani sustavšto dovodi do demencije.

Pravodobnom dijagnozom i prelaskom dojenčeta na prehranu bez fenilalanina može se spriječiti razvoj bolesti.

Albinizam je čest. Genetska bolest naslijeđena autosomno recesivno. Normalno, aminokiselina tirozin sudjeluje u sintezi tkivnih pigmenata. Ako se dogodi mutacijski blok, enzim je odsutan ili je njegova aktivnost smanjena, tada se pigmenti tkiva ne sintetiziraju. U tim slučajevima koža mliječno bijele boje, kosa je vrlo svijetla, zbog nedostatka pigmenta u retini, krvne žile svijetle, oči imaju crvenkasto-ružičastu boju, a preosjetljivost do svjetla.

alkapnonurija. Genska bolest, naslijeđena autosomno recesivno, javlja se s učestalošću = 3-5:1.000.000. Bolest je povezana s kršenjem pretvorbe homogentizinske kiseline, zbog čega se ta kiselina nakuplja u tijelu. Budući da se izlučuje mokraćom, ova kiselina dovodi do razvoja bolesti bubrega, osim toga, alkalizirani urin s ovom anomalijom brzo potamni. Također, bolest se očituje bojenjem hrskavičnog tkiva, artritis se razvija u starijoj dobi. Dakle, bolest je popraćena oštećenjem bubrega i zglobova.

Genske bolesti povezane s poremećenim metabolizmom ugljikohidrata.

Galaktozemija. Genetska bolest, naslijeđena autosomno recesivno, javlja se s učestalošću = 1:35.000-40.000 djece.

Krv novorođenčeta sadrži monosaharid galaktozu, koji nastaje tijekom razgradnje disaharida mlijeka. laktoza za glukozu i galaktoza. Galaktozu tijelo ne apsorbira izravno, mora se posebnim enzimom pretvoriti u asimilirani oblik - glukoza-1-fosfat.

Nasljedna bolest galaktozemija uzrokovana je kvarom gena koji kontrolira sintezu enzima proteina koji pretvara galaktozu u oblik koji se može apsorbirati. U krvi bolesne djece bit će vrlo malo ovog enzima i puno galaktoze, što se utvrđuje biokemijskom analizom.

Ako se dijagnoza postavi u prvim danima nakon rođenja djeteta, tada se hrani mješavinama gdje nema mliječni šećer a dijete se normalno razvija. Inače će dijete odrasti slaboumno.

cistična fibroza. Genska bolest se nasljeđuje autosomno recesivno, javlja se s učestalošću = 1:2.000-2.500. Bolest je povezana s mutacijom gena koji je odgovoran za protein nosač ugrađen u plazma membranu stanica. Ovaj protein regulira propusnost membrane za ione Na i Ca. Ako je propusnost tih iona u stanicama egzokrinih žlijezda poremećena, tada žlijezde počinju proizvoditi gustu, viskoznu tajnu koja zatvara kanale egzokrinih žlijezda.

Dodijelite plućne i crijevne oblike cistične fibroze.

Marfanov sindrom. Genetska bolest naslijeđena na autosomno dominantan način. Povezan je s kršenjem metabolizma proteina fibrilina u vezivnom tkivu, što se očituje kompleksom znakova: "pauk" prsti (arahnodaktilija), visok rast, subluksacija leće, srčani i vaskularni defekti, povećana emisija u krv adrenalina, pognutosti, upalih prsa, visokog svoda stopala, slabosti ligamenata i tetiva itd. Prvi put opisao francuski pedijatar Antonio Marfan 1896.

PREDAVANJE 10 Strukturne mutacije kromosoma.

1. Strukturne mutacije kromosoma (kromosomske aberacije).

Razlikuju se sljedeće vrste kromosomskih aberacija.

– brisanja

– dupliciranja

– inverzije

- prstenasti kromosomi

– translokacije

– transpozicije

S tim mutacijama mijenja se struktura kromosoma, mijenja se redoslijed gena u kromosomima, mijenja se doza gena u genotipu. Ove mutacije se nalaze u svim organizmima, a to su:

Spontani (uzrokovani čimbenikom nepoznate prirode) i inducirani (poznata je priroda čimbenika koji je uzrokovao mutaciju)

Somatski (utječu na nasljedni materijal somatskih stanica) i generativni (promjene u nasljednom materijalu gameta)

Korisno i štetno (potonje je mnogo češće)

Uravnoteženo (sustav genotipa se ne mijenja, što znači da se fenotip ne mijenja) i neuravnoteženo (sustav genotipa se mijenja, što znači da se mijenja i fenotip)

Ako mutacija zahvaća dva kromosoma, govore o interkromosomskom preuređenju.

Ako mutacija zahvaća 1 kromosom, govore o intrakromosomskom preuređenju.

2. Mehanizmi nastanka strukturnih mutacija kromosoma.

Hipoteza o povezanosti jaza. Pretpostavlja se da se lomovi javljaju u jednom ili više kromosoma. Nastaju dijelovi kromosoma koji se potom povezuju, ali drugačijim slijedom. Ako se prekid dogodi prije replikacije DNK, tada su 2 kromatide uključene u ovaj proces - to je izokromatid jaz. Ako se prekid dogodi nakon replikacije DNK, tada je 1 kromatida uključena u proces - ovo kromatida jaz.

Druga hipoteza je da se proces sličan crossingoveru događa između nehomolognih kromosoma, t.j. nehomologna kromosomi se zamjenjuju.

3. Delecije, njihova bit, oblici, fenotipski učinak. Pseudominacija..

Delecija (nedostatak) je gubitak segmenta kromosoma.

U kromosomu može doći do 1 prekida i izgubit će terminalni dio koji će biti uništen enzimima (nedostatak)

mogu doći do dva prekida u kromosomu s gubitkom središnje regije, koja će također biti uništena enzimima (intersticijska delecija).

U homozigotnom stanju delecije su uvijek smrtonosne, au heterozigotnom se manifestiraju višestrukim malformacijama.

Otkrivanje brisanja:

Diferencijalno bojenje kromosoma

Prema slici petlje, koja nastaje tijekom konjugacije homolognih kromosoma u profazi mejoze 1. Petlja se javlja na normalnom kromosomu.

Delecija je prvi put proučavana kod muhe Drosophila, kod koje je došlo do gubitka dijela X kromosoma. U homozigotnom stanju ova mutacija je smrtonosna, a u heterozigotnom se fenotipski manifestira kao usjek na krilu (Notch mutacija). Prilikom analize ove mutacije identificiran je poseban fenomen koji je nazvan pseudodominacija. U ovom slučaju, recesivni alel se manifestira fenotipski, budući da se delecijom gubi regija kromosoma s dominantnim alelom.

U ljudi se delecije češće javljaju u kromosomima 1 do 18. Na primjer, delecija kratkog kraka petog kromosoma u heterozigotnom stanju manifestira se fenotipski kao sindrom "mačjeg krika". Dijete se rađa s velikim brojem patologija, živi od 5 dana do mjesec dana (vrlo rijetko do 10 godina), njegov plač nalikuje mačjem oštrom mijauku.

Intersticijska delecija može se pojaviti na kromosomu 21 ili 22 hematopoetskih matičnih stanica. U heterozigotnom stanju se fenotipski manifestira kao perniciozna anemija.

4. Duplikacije, inverzije, kružni kromi. Mehanizam nastanka. fenotipski izraz.

umnožavanje- dupliciranje nekog dijela kromosoma (ovaj dio se može ponoviti više puta). Duplikacije mogu biti izravne i obrnute.

S tim mutacijama povećava se doza gena u genotipu, a u homozigotnom stanju te su mutacije smrtonosne. U heterozigotnom stanju očituju se višestrukim malformacijama. Međutim, te su mutacije možda imale ulogu u evoluciji. Na taj način bi mogle nastati obitelji gena za hemoglobin.

Moguće je da su se sekvence nukleotida DNA koje se ponavljaju pojavile kao rezultat duplikacija.

Otkrivanje dupliciranja:

Slika petlje u profazi mejoze 1. Petlja se javlja na mutiranom kromosomu.

Inverzija - odvajanje segmenta kromosoma, okretanje za 180 ° i pričvršćivanje na staro mjesto. Tijekom inverzija doza gena se ne mijenja, ali se mijenja redoslijed gena u kromosomu, t.j. promjene grupe spojke. Nema krajnjih inverzija.

U homozigotnom stanju inverzije su smrtonosne, a u heterozigotnom se manifestiraju višestrukim malformacijama.

Otkrivanje inverzija:

Diferencijalno bojenje.

Slika u obliku dvije suprotne petlje u profazi mejoze 1.

Inverzije su 2 vrste:

paracentrična inverzija, koja ne utječe na centromeru, jer lomovi se javljaju unutar jednog kraka kromosoma

pericentrična inverzija, koja utječe na centromeru, kao lomovi se javljaju s obje strane centromere.

S pericentričnom inverzijom, konfiguracija kromosoma se može promijeniti (ako krajevi rotiranih dijelova nisu simetrični). To onemogućuje naknadnu konjugaciju.

Fenotipska manifestacija inverzija je najblaža u usporedbi s drugim kromosomskim aberacijama. Ako recesivni homozigoti umru, tada se neplodnost najčešće opaža kod heterozigota.

Prstenasti kromosomi. Normalno, u ljudskom kariotipu nema prstenastih kromosoma. Mogu se pojaviti pod djelovanjem mutagenih čimbenika, posebice izloženosti zračenju, na tijelo.

U tom slučaju dolazi do 2 prekida u kromosomu, a rezultirajuće područje se zatvara u prsten. Ako prstenasti kromosom sadrži centromeru, tada nastaje centrični prsten. Ako nema centromere, tada nastaje acentrični prsten, uništavaju ga enzimi i ne nasljeđuje se.

Prstenasti kromosomi se otkrivaju kariotipizacijom.

U homozigotnom stanju te su mutacije smrtonosne, dok se u heterozigotnom stanju fenotipski manifestiraju kao delecije.

Prstenasti kromosomi su markeri izloženosti zračenju. Što je veća doza radioaktivnog izlaganja, to je više prstenastih kromosoma, a prognoza je lošija.

5. Translokacije, njihova bit. Recipročne translokacije, njihove karakteristike i medicinski značaj. Robertsonove translokacije i njihova uloga u nasljednoj patologiji.

Translokacija je pomicanje segmenta kromosoma. Postoje međusobne (recipročne) i nerecipročne (transpozicione) translokacije.

Recipročne translokacije nastaju kada dva nehomologna kromosoma razmjenjuju svoje regije.

Robertsonove translokacije (centrične fuzije) čine posebnu skupinu translokacija. Njemu su izloženi akrocentrični kromosomi – gube kratke krakove, a dugi krakovi su povezani.

Uzrok 4-5% slučajeva rođenja djeteta s donjicom su Robertsonove translokacije. U ovom slučaju, dugi krak kromosoma 21 prelazi na jedan od kromosoma skupine D (13, 14, 15, češće je zahvaćen kromosom 14).

Vrste spermija jajne stanice Posljedice zigota

14 + 14, 21 14,14,21 monosomija 21 (smrtonosno)

14/21,21 + 14, 21 14/21,21,14,21 trisomija 21 (Downic)

21 + 14, 21 21,14,21, monosomija 14 (smrtonosno)

14.14/21 + 14, 21 14.14/21.14.21 trisomija 14 (smrtonosna)

14/21 + 14, 21 14/21,14,21 fenotipski zdrav

Kao što vidite, žena s Robertsonovom translokacijom može roditi zdravo dijete.

Gubitak kratkih krakova ne utječe ni na što, jer postoje zone koje stvaraju nukleole, a one su i u drugim kromosomima.

Bolesnik s translokacijskim oblikom Downovog sindroma ima 46 kromosoma u stanicama. Jajnik nakon translokacije imat će 45 kromosoma. Međutim, s uravnoteženom mutacijom, ženka će imati 45 kromosoma.

Otkrivanje translokacija:

Diferencijalno bojenje.

Lik križa u profazi mejoze 1.

6. Trapozicije. Mobilni genetski elementi. Mehanizmi kretanja kroz genom i značaj.

Ako translokacije nisu u prirodi reciprociteta, onda se govori o transpoziciji.

Posebna skupina transpozona su mobilni genetski elementi (MGE), odnosno geni za skokove, koji se nalaze u svim organizmima. U mušici Drosophila čine 5% genoma. Kod ljudi, MGE su grupirani u ALU obitelj.

MGE se sastoje od 300-400 nukleotida, ponovljenih 300 tisuća puta u ljudskom genomu.

Na krajevima MGE nalaze se ponavljanja nukleotida, koja se sastoje od 50-100 nukleotida. Ponavljanja mogu biti izravna i obrnuta. Čini se da ponavljanja nukleotida utječu na kretanje MGE.

Postoje dvije varijante kretanja MGE kroz genom.

1. korištenjem postupka obrnute transkripcije. Za to je potreban enzim reverzna transkriptaza (revertaza). Ova opcija se odvija u nekoliko faza:

na DNA, enzim RNA polimeraza (drugi naziv je transkriptaza) sintetizira mRNA,

na mRNA, enzim reverzna transkriptaza sintetizira jedan lanac DNK,

enzim DNA polimeraza osigurava sintezu drugog lanca DNK,

sintetizirani fragment je zatvoren u prsten,

prsten DNK umetnut je u drugi kromosom ili na drugo mjesto na istom kromosomu.

2. uz pomoć enzima transpozaze, koji izrezuje MGE i prenosi ga na drugi kromosom ili na drugo mjesto na istom kromosomu

Tijekom evolucije, MGE je odigrao pozitivnu ulogu, budući da je izvršili su prijenos genetskih informacija s jedne vrste organizama na drugu. Važnu ulogu u tome imali su retrovirusi, koji sadrže RNK kao nasljedni materijal, a sadrže i reverznu transkriptazu.

MGE se vrlo rijetko kreću po genomu, jedan pokret na stotine tisuća događaja u stanici (učestalost pokreta je 1 x 10–5).

U svakom specifičnom organizmu MGE ne igraju pozitivnu ulogu, jer krećući se kroz genom, mijenjaju rad gena, uzrokuju genske i kromosomske mutacije.

7. inducirana mutageneza. Fizički, kemijski i biološki mutageni čimbenici.

Inducirane mutacije nastaju kada je tijelo izloženo mutagenim čimbenicima koji se dijele u 3 skupine:

Fizički (UFL, X-zrake i zračenje, elektromagnetska polja, visoke temperature).

Dakle, ionizirajuće zračenje može djelovati izravno na molekule DNA i RNA, uzrokujući oštećenja (mutacije gena) u njima. Neizravni utjecaj ovoga

mutagen na nasljednom aparatu stanica je stvaranje genotoksičnih tvari (H 2 O 2, OH - , O 2 - ,).

Kemijski mutageni čimbenici. Postoji preko 2 milijuna kemikalija koje mogu uzrokovati mutacije. To su soli teških metala, kemijski analozi dušičnih baza (5-bromuracil), alkilirajući spojevi (CH 3, C 2 H 5).

8. mutacije zračenja. Genetski rizik od kontaminacije okoliš.

Radijacijske mutacije su mutacije uzrokovane zračenjem. Godine 1927. američki genetičar, Heinrich Mehler, prvi je pokazao da zračenje rendgenskim zrakama dovodi do značajnog povećanja učestalosti mutacija u Drosophila. Ovaj rad označio je početak novog smjera u biologiji – genetike zračenja. Zahvaljujući brojnim radovima provedenim tijekom proteklih desetljeća, danas znamo da kada elementarne čestice (kvantite, elektroni, protoni i neutroni) uđu u jezgru, dolazi do ionizacije molekula vode uz stvaranje slobodnih radikala (OH - , O 2 -) . Posjedujući veliku kemijsku aktivnost, uzrokuju lomove DNK, oštećenje nukleotida ili njihovo uništenje; Sve to dovodi do mutacija.

Budući da je osoba otvoren sustav, mogu upasti različiti čimbenici onečišćenja okoliša ljudsko tijelo. Mnogi od ovih čimbenika mogu promijeniti ili oštetiti nasljedni materijal živih stanica. Posljedice ovih čimbenika toliko su ozbiljne da čovječanstvo ne može zanemariti zagađenje okoliša.

9. Mutageneza i karcinogeneza.

Teoriju mutacije raka prvi je predložio Hugo De Vries 1901. godine. Danas postoji mnogo teorija karcinogeneze.

Jedna od njih je genska teorija karcinogeneze. Poznato je da ljudski genom sadrži više od 60 onkogena sposobnih regulirati diobu stanica. Oni su u neaktivnom stanju kao protoonkogeni. Pod utjecajem različitih mutagenih čimbenika, protoonkogeni se aktiviraju i postaju onkogeni, što uzrokuje intenzivnu proliferaciju stanica i razvoj tumora.

PREDAVANJE 11 Mutacije u broju kromosoma. haploidija, poliploidija,

Aneuploidija.

1. Bit mutacija u broju kromosoma, uzroci i mehanizmi nastanka.

Svaki tip organizma karakterizira svoj kariotip. Konstantnost kariotipa u nizu generacija održava se kroz procese mitoze i mejoze. Ponekad se tijekom mitoze ili mejoze poremeti divergencija kromosoma, što rezultira stanicama s promijenjenim brojem kromosoma. U stanicama se broj cijelih haploidnih skupova kromosoma može promijeniti, u kojem slučaju se javljaju takve mutacije kao:

Haploidija - jedan skup kromosoma (n)

Poliploidija - povećanje broja kromosoma za višestruki haploidni skup (3n, 4n, itd.)

Aneuploidija je promjena u broju pojedinačnih kromosoma (46 +1).

Skup kromosoma može se mijenjati i u somatskim i u spolnim stanicama.

Uzroci kršenja divergencije kromosoma:

povećana viskoznost citoplazme

preokret polariteta stanice

disfunkcija vretena.

Svi ovi razlozi dovode do takozvanog fenomena “anafaznog zaostajanja”.

To znači da su u anafazi mitoze ili mejoze kromosomi raspoređeni neravnomjerno, t.j. neki kromosom ili skupina kromosoma ne drži korak s ostatkom kromosoma i gubi se za jednu od stanica kćeri.

2. Haploidija, karakter promjene kariotipa, prevalencija, fenotipska manifestacija.

Haploidija je smanjenje broja kromosoma u stanicama organizma do haploidnog. U stanicama se naglo smanjuje broj kromosoma i doza gena, odnosno mijenja se genotipski sustav, što znači da se mijenja i fenotip.

Uzroci mutacija

Mutacije se dijele na spontano i inducirano. Spontane mutacije javljaju se spontano tijekom cijelog života organizma u normalnim okolišnim uvjetima s frekvencijom od oko 10 do −9 snaga - 10 do −12 po nukleotidu po staničnoj generaciji. Inducirane mutacije nazivaju se nasljedne promjene u genomu koje proizlaze iz određenih mutagenih učinaka u umjetnim (eksperimentalnim) uvjetima ili pod nepovoljnim utjecajima okoline.

Mutacije se stalno pojavljuju tijekom procesa koji se odvijaju u živoj stanici. Glavni procesi koji dovode do pojave mutacija su replikacija DNK, poremećeni popravak DNK i genetska rekombinacija.

Povezanost mutacija s replikacijom DNK

Mnoge spontane kemijske promjene u nukleotidima dovode do mutacija koje se javljaju tijekom replikacije. Na primjer, zbog deaminacije citozina, uracil se može uključiti u lanac DNA nasuprot njemu (nastaje U-G par umjesto kanonskog C-G para). Tijekom replikacije DNA nasuprot uracila, adenin se uključuje u novi lanac, nastaje U-A par, a tijekom sljedeće replikacije zamjenjuje se T-A parom, odnosno dolazi do prijelaza.

Povezanost mutacija s rekombinacijom DNA

Od procesa povezanih s rekombinacijom, nejednako križanje najčešće dovodi do mutacija. Obično se događa kada postoji nekoliko dupliciranih kopija izvornog gena na kromosomu koje zadržavaju sličnu sekvencu nukleotida. Kao rezultat nejednakog križanja dolazi do duplikacije u jednom od rekombinantnih kromosoma, a do delecije u drugom.

Povezanost mutacija s popravkom DNK

Spontano oštećenje DNK prilično je uobičajeno, a takvi se događaji događaju u svakoj stanici. Kako bi se uklonile posljedice takvog oštećenja, postoje posebni mehanizmi za popravak (na primjer, pogrešan dio DNK se izrezuje i na ovom mjestu se obnavlja izvorni). Mutacije se javljaju samo kada mehanizam za popravak iz nekog razloga ne radi ili se ne može nositi s uklanjanjem oštećenja. Mutacije koje se javljaju u genima proteina odgovornih za popravak mogu dovesti do višestrukog povećanja (učinak mutatora) ili smanjenja (antimutatorski učinak) učestalosti mutacija drugih gena. Dakle, mutacije u genima mnogih enzima sustava ekscizijskog popravka dovode do naglog povećanja učestalosti somatskih mutacija kod ljudi, a to zauzvrat dovodi do razvoja pigmentne kseroderme i malignih tumora korice.

Mutageni

Postoje čimbenici koji mogu značajno povećati učestalost mutacija – mutageni čimbenici. To uključuje:

• kemijski mutageni - tvari koje uzrokuju mutacije,
• fizički mutageni - ionizirajuće zračenje, uključujući prirodno pozadinsko zračenje, ultraljubičasto zračenje, visoka temperatura itd.,
• biološki mutageni - npr. retrovirusi, retrotranspozoni.

Klasifikacije mutacija

Postoji nekoliko klasifikacija mutacija prema različitim kriterijima. Möller je predložio da se mutacije prema prirodi promjene u funkcioniranju gena podijeli na hipomorfna(promijenjeni aleli djeluju u istom smjeru kao aleli divljeg tipa; samo se manje sintetizira proteinski proizvod), amorfna(mutacija izgleda kao potpuni gubitak funkcije gena, na primjer, mutacija bijelim u Drosophila) antimorfna(svojstvo mutanta se mijenja, na primjer, boja zrna kukuruza mijenja se iz ljubičaste u smeđu) i neomorfna.

U suvremenoj obrazovnoj literaturi koristi se i formalnija klasifikacija koja se temelji na prirodi promjena u strukturi pojedinih gena, kromosoma i genoma u cjelini. Unutar ove klasifikacije razlikuju se sljedeće vrste mutacija:

• genetski
• kromosomski
• genomski.

Posljedice mutacija za stanicu i organizam

Mutacije koje narušavaju aktivnost stanice u višestaničnom organizmu često dovode do uništenja stanice (osobito do programirane stanične smrti, apoptoze). Ako intra- i ekstracelularno obrambeni mehanizmi mutacija nije prepoznata i stanica je prošla kroz diobu, tada će se mutantni gen prenijeti na sve potomke stanice i, najčešće, dovodi do činjenice da sve te stanice počinju drugačije funkcionirati.

Uloga mutacija u evoluciji

Uz značajnu promjenu uvjeta postojanja, one mutacije koje su prije bile štetne mogu se pokazati korisnima. Dakle, mutacije su stvar prirodne selekcije. Tako su melanističke mutante (tamno obojene osobe) u populacijama brezovog moljca (Biston betularia) u Engleskoj prvi otkrili znanstvenici među tipičnim svijetlim jedinkama sredinom 19. stoljeća. Tamna obojenost nastaje kao posljedica mutacije jednog gena. Leptiri provode dan na deblima i granama drveća, obično prekrivenim lišajevima, na kojima se svijetla boja maskira. Kao rezultat industrijske revolucije, praćene atmosferskim onečišćenjem, lišajevi su umrli, a lagana debla breza bila su prekrivena čađom. Kao rezultat toga, do sredine 20. stoljeća (za 50-100 generacija) u industrijskim područjima tamni je morf gotovo u potpunosti zamijenio svijetli. Pokazalo se da je glavni razlog prevladavajućeg opstanka crne forme grabežljivost ptica, koje su selektivno jele svijetle leptire u zagađenim područjima.

Ako mutacija utječe na "tihe" dijelove DNK, ili dovodi do zamjene jednog elementa genetskog koda sinonimnim, tada se obično ni na koji način ne manifestira u fenotipu (manifestacija takve sinonimne zamjene može biti povezane s različitim učestalostima korištenja kodona). Međutim, takve se mutacije mogu otkriti metodama analize gena. Budući da se većina mutacija javlja kao posljedica prirodni uzroci, zatim, pod pretpostavkom da se osnovna svojstva okoline nisu promijenila, ispada da bi stopa mutacije trebala biti približno konstantna. Ova se činjenica može koristiti za proučavanje filogenije – proučavanja podrijetla i odnosa različitih svojti, uključujući i ljude. Dakle, mutacije u tihim genima služe kao svojevrsni "molekularni sat" za istraživače. Teorija "molekularnog sata" također polazi od činjenice da je većina mutacija neutralna, a brzina njihove akumulacije u danom genu ne ovisi ili slabo ovisi o djelovanju prirodne selekcije i stoga ostaje konstantna dugo vremena. Za različite gene, ova će stopa, međutim, varirati.

Proučavanje mutacija u mitohondrijskoj DNK (naslijeđenoj po majčinoj liniji) i u Y-kromosomima (naslijeđenim po očevoj liniji) naširoko se koristi u evolucijskoj biologiji za proučavanje podrijetla rasa i nacionalnosti, za rekonstrukciju biološkog razvoja čovječanstva.

Problem slučajnih mutacija

Četrdesetih godina prošlog stoljeća među mikrobiolozima je bilo popularno stajalište prema kojem su mutacije uzrokovane izlaganjem okolišnom čimbeniku (na primjer, antibiotiku), na koji omogućuju prilagodbu. Za testiranje ove hipoteze razvijeni su test fluktuacije i metoda replike.
Luria-Delbruckov test fluktuacije sastoji se u tome da se mali dijelovi početne kulture bakterija raspršuju u epruvete s tekućim medijem, a nakon nekoliko ciklusa dijeljenja u epruvete se dodaje antibiotik. Zatim se (bez naknadnih podjela) preživjele bakterije otporne na antibiotike stavljaju na Petrijeve zdjelice s čvrstim medijem. Test je pokazao. da je broj stabilnih kolonija iz različitih epruveta vrlo varijabilan – u većini slučajeva je mali (ili nula), au nekim slučajevima vrlo visok. To znači da su se mutacije koje su uzrokovale otpornost na antibiotike javljale u nasumično vrijeme prije i nakon izlaganja antibiotiku.
Metoda replika (u mikrobiologiji) sastoji se u tome da se iz originalne Petrijeve zdjelice, u kojoj na čvrstom mediju rastu kolonije bakterija, napravi otisak na vunasto tkivo, a zatim se bakterije prenose iz tkiva u nekoliko drugih. jela, pri čemu se uzorak njihovog rasporeda ispostavlja istim kao na originalnoj šalici. Nakon izlaganja antibiotiku na svim pločama, kolonije smještene na istim točkama prežive. Posjećivanjem takvih kolonija na nove ploče, može se pokazati da su sve bakterije unutar kolonije otporne.
Tako je objema metodama dokazano da "prilagodljive" mutacije nastaju neovisno o utjecaju čimbenika kojemu omogućuju prilagodbu, te su u tom smislu mutacije slučajne. Međutim, nema sumnje da mogućnost određenih mutacija ovisi o genotipu i kanalizirana je prethodnim tijekom evolucije (vidi zakon homolognih nizova u nasljednoj varijabilnosti). Osim toga, učestalost mutacije različitih gena prirodno se razlikuje i različite stranice unutar istog gena. Također je poznato da viši organizmi koriste "ciljane" (tj. koje se javljaju u određenim regijama DNK) mutacije u mehanizmima imuniteta. Uz njihovu pomoć stvaraju se različiti klonovi limfocita, među kojima, kao rezultat, uvijek postoje stanice sposobne dati imunološki odgovor na novu bolest nepoznatu tijelu. Prikladni limfociti su pozitivno odabrani, što rezultira imunološkom memorijom.

vidi također

Linkovi

Inge-Vechtomov S.V. Genetika s osnovama selekcije. M., Viša škola, 1989.

Bilješke

evolucijska biologija
Mehanizmi i procesi	Adaptacija Specifikacija Genetski drift Prirodna selekcija Nasljedna varijabilnost Mikroevolucija Makroevolucija Mutacije Prijenos gena
Pojava života	Kemijska evolucija Hipoteza RNA svijeta Biološka evolucija
Povijest evolucijske doktrine	Geoffreyizam Brockizam Darvinizam Lamarkizam Pangeneza Ortogeneza Autogeneza Nomogeneza Saltationizam Katastrofizam Neokatastrofizam
Moderni koncepti	Sintetička teorija evolucije Teorija punktirane ravnoteže Neutralna teorija molekularne evolucije Epigenetska teorija evolucije Teorija evolucije ekosustava
Osoba	Antropogeneza

Zaklada Wikimedia. 2010 .

Kao dio formalne klasifikacije, postoje:

Genomske mutacije – promjena broja kromosoma;
kromosomske mutacije - preuređenje strukture pojedinih kromosoma;
mutacije gena - i/ili sekvence genskih komponenti (nukleotida) u strukturi DNA, čija je posljedica promjena količine i kvalitete odgovarajućih proteinskih proizvoda.

Genske mutacije nastaju supstitucijom, brisanjem (gubitak), translokacijom (pomicanjem), dupliciranjem (udvostručavanjem), inverzijom (promjenom) nukleotida unutar pojedinih gena. U slučaju kada je riječ o transformacijama unutar jednog nukleotida, koristi se izraz točkasta mutacija.

Takve transformacije nukleotida uzrokuju pojavu tri mutantna koda:

S promijenjenim značenjem (missense mutacije), kada se u polipeptidu koji je kodiran ovim genom jedna aminokiselina zamijeni drugom;
s nepromijenjenim značenjem (neutralne mutacije) - zamjena nukleotida nije popraćena zamjenom aminokiselina i nema zamjetan učinak na strukturu ili funkciju odgovarajućeg proteina;
besmislene (besmislene mutacije), koje mogu uzrokovati prekid polipeptidnog lanca i imati najveći štetni učinak.

Mutacije u različitim dijelovima gena

Ako gen promatramo s pozicije strukturne i funkcionalne organizacije, onda se ispadanja, umetanja, supstitucije i kretanja nukleotida koji se javljaju u njemu mogu podijeliti u dvije skupine:

1. mutacije u regulatornim regijama gena (u promotorskom dijelu i na mjestu poliadenilacije), koje uzrokuju kvantitativne promjene u odgovarajućim produktima i klinički se manifestiraju ovisno o graničnoj razini proteina, ali je njihova funkcija još uvijek očuvana;

2. mutacije u kodirajućim regijama gena:
u egzonima - uzrokuju prijevremeni prekid sinteze proteina;
u intronima - mogu generirati nova mjesta spajanja, koja kao rezultat zamjenjuju izvorna (normalna) mjesta;
na mjestima spajanja (na spoju egzona i introna) - dovode do translacije besmislenih proteina.

Kako bi se otklonile posljedice ovakve štete, postoje posebni mehanizmi za popravku. Suština je da se ukloni pogrešan dio DNK, a zatim se na ovom mjestu obnovi izvorni. Samo u slučaju da mehanizam za popravak nije radio ili se nije nosio s oštećenjem dolazi do mutacije.

Vrste genskih mutacija:

Genske mutacije javljaju se češće od kromosomskih i genomskih mutacija, ali manje značajno mijenjaju strukturu DNK, uglavnom se odnose samo na kemijsku strukturu jednog gena. Oni predstavljaju zamjenu, uklanjanje ili umetanje nukleotida, ponekad i nekoliko. Također, genske mutacije uključuju translokacije (prijenos), duplikacije (ponavljanje), inverzije (180° flip) genskih sekcija, ali ne i kromosoma.

Genske mutacije javljaju se tijekom replikacije DNK, križanja i moguće su u drugim razdobljima staničnog ciklusa. Mehanizmi popravka ne eliminiraju uvijek mutacije i oštećenja DNK. Osim toga, oni sami mogu poslužiti kao izvor genskih mutacija. Na primjer, pri spajanju krajeva slomljenog kromosoma često se gubi nekoliko parova nukleotida.

Ako sustavi za popravak prestanu normalno funkcionirati, dolazi do brzog nakupljanja mutacija. Ako se pojave mutacije u genima koji kodiraju enzime za popravak, tada jedan ili više njegovih mehanizama može biti poremećeno, što rezultira velikim povećanjem broja mutacija. Međutim, ponekad postoji suprotan učinak, kada mutacija gena za popravak enzima dovodi do smanjenja učestalosti mutacija drugih gena.

Osim primarnih mutacija, u stanicama se mogu pojaviti i obrnute mutacije koje vraćaju izvorni gen.

Većina promjena gena, poput mutacija u druge dvije vrste, štetne su. Pojava mutacija koje uzrokuju korisna svojstva za određene uvjete okoliša je rijetka. Međutim, oni to rade mogući proces evolucija.

Genske mutacije ne utječu na genotip, već na zasebne dijelove gena, što zauzvrat uzrokuje pojavu nove varijante osobine, tj. alela, a ne nove osobine kao takve. Mouton- ovo je elementarna jedinica procesa mutacije, sposobna dovesti do pojave nove varijante osobine. Često je to dovoljno za promjenu jednog para nukleotida. S ove točke gledišta, muton odgovara jednom paru komplementarnih nukleotida. S druge strane, nisu sve mutacije gena mutone u smislu posljedica. Ako promjena u nukleotidnom nizu ne povlači promjenu svojstva, onda s funkcionalnog stajališta do mutacije nije došlo.

Jedan par nukleotida odgovara i izvidnica je elementarna jedinica rekombinacije. U križanju, u slučaju kršenja rekombinacije, dolazi do nejednake izmjene mjesta između konjugiranih kromosoma. Kao rezultat, dolazi do umetanja i brisanja nukleotidnih parova, što za sobom povlači pomak u okviru čitanja, daljnji poremećaj sinteze peptida s potrebna svojstva. Dakle, jedan dodatni ili izgubljeni par nukleotida dovoljan je da iskrivi genetske informacije.

Učestalost spontanih genskih mutacija kreće se od 10 -12 do 10 -9 po nukleotidu DNA po diobi stanice. Kako bi proveli istraživanje, znanstvenici izlažu stanice kemijskim, fizičkim i biološkim mutagenima. Mutacije izazvane na ovaj način nazivaju se inducirano, njihova je učestalost veća.

Zamjena dušičnih baza

Ako dođe do promjene samo jednog nukleotida u DNK, tada se takva mutacija naziva točka. U slučaju mutacija po vrsti zamjene dušičnih baza, jedan komplementarni par nukleotida molekule DNA zamjenjuje se u nizu replikacijskih ciklusa drugim. Učestalost takvih incidenata je oko 20% ukupne mase svih genskih mutacija.

Primjer za to je deaminacija citozina, što rezultira stvaranjem uracila.

U DNK se umjesto G-C formira nukleotidni par G-U. Ako enzim DNA glikolaza ne popravi grešku, tijekom replikacije će se dogoditi sljedeće. Lanci će se raspršiti, citozin će biti instaliran nasuprot guaninu, a adenin će se instalirati nasuprot uracila. Dakle, jedna od kćeri DNK molekula će sadržavati abnormalnu par u-a. Tijekom njegove naknadne replikacije, timin će se instalirati u jednu od molekula nasuprot adeninu. To jest, u genu će G-C par biti zamijenjen A-T.

Drugi primjer je deaminacija metiliranog citozina, što rezultira stvaranjem timina. Nakon toga može nastati gen s parom T-A umjesto C-G.

Mogu postojati obrnute zamjene: par A-T u određenim kemijskim reakcijama može se zamijeniti s C-G. Na primjer, u procesu replikacije, bromouracil se može vezati za adenin, koji veže gvanin na sebe tijekom sljedeće replikacije. U sljedećem ciklusu, gvanin će se vezati na citozin. Tako će u genu A-T par biti zamijenjen C-G.

Zamjena jednog pirimidina drugim pirimidinom ili jednog purina drugim purinom naziva se tranzicija. Pirimidini su citozin, timin i uracil. Purini su adenin i gvanin. Zamjena purina za pirimidin ili pirimidina za purin naziva se transverzija.

Točkasta mutacija ne može dovesti do ikakvih posljedica zbog degeneracije genetskog koda, kada nekoliko triplet kodona kodira za istu aminokiselinu. To jest, kao rezultat zamjene jednog nukleotida može nastati drugi kodon, ali koji kodira istu aminokiselinu kao stari. Ova nukleotidna supstitucija se zove sinonim. Njihova učestalost je oko 25% svih nukleotidnih supstitucija. Ako se značenje kodona promijeni, on počinje kodirati drugu aminokiselinu, tada se naziva zamjena misense mutacija. Njihova učestalost je oko 70%.

U slučaju missense mutacije, tijekom translacije u peptid će biti uključena pogrešna aminokiselina, uslijed čega će se promijeniti njegova svojstva. Stupanj promjene složenijih značajki organizma ovisi o stupnju promjene svojstava proteina. Primjerice, kod anemije srpastih stanica u proteinu se zamjenjuje samo jedna aminokiselina – glutamin za valin. Ako se glutamin zamijeni lizinom, tada se svojstva proteina ne mijenjaju puno, odnosno obje aminokiseline su hidrofilne.

Točkasta mutacija može biti takva da se stop kodon (UAG, UAA, UGA) pojavi umjesto kodona koji kodira aminokiselinu, prekidajući (završavajući) prijevod. Ovaj besmislene mutacije. Ponekad postoje obrnute zamjene, kada se umjesto stop kodona pojavi osjetni kodon. Sa bilo kojom takvom mutacijom gena, funkcionalni protein se više ne može sintetizirati.

Pomak okvira za čitanje

Genetske mutacije uključuju mutacije pomaka okvira, kada postoji promjena u broju parova nukleotida u genu. To može biti ili gubitak ili umetanje jednog ili više nukleotidnih parova u DNK. Najviše je genskih mutacija prema vrsti pomaka okvira. Najčešće se javljaju u ponavljajućim sekvencama nukleotida.

Do umetanja ili brisanja nukleotidnih parova može doći kao posljedica izlaganja određenim kemikalijama koje deformiraju dvostruku spiralu DNK.

Rentgensko zračenje može dovesti do gubitka, tj. brisanja mjesta s velikim brojem parova nukleotida.

Insercije nisu rijetke kada su uključene u nukleotidni slijed tzv mobilni genetski elementi koji mogu promijeniti njihov položaj.

Nejednako križanje dovodi do mutacija gena. Najčešće se javlja u onim dijelovima kromosoma gdje je lokalizirano nekoliko kopija istog gena. U ovom slučaju, crossing se događa na način da se u jednom kromosomu dogodi brisanje mjesta. Ova regija se prenosi na homologni kromosom, u kojem dolazi do duplikacije regije gena.

Ako dođe do brisanja ili umetanja određenog broja nukleotida koji nije višekratnik od tri, tada se okvir čitanja pomiče, a prijevod genetskog koda često je besmislen. Osim toga, može se pojaviti i besmislica.

Ako je broj umetnutih ili ispuštenih nukleotida višestruki od tri, onda se može reći da se pomak okvira čitanja ne događa. Međutim, tijekom prijevoda takvih gena, dodatne aminokiseline će biti uključene ili će značajne aminokiseline biti izgubljene u peptidnom lancu.

Inverzija unutar gena

Ako se inverzija segmenta DNA dogodi unutar jednog gena, tada se takva mutacija naziva mutacija gena. Inverzije većih regija nazivaju se kromosomskim mutacijama.

Do inverzije dolazi zbog okretanja segmenta DNK za 180°. ° . Često se to događa kada se u molekuli DNK formira petlja. Kod replikacije u povratnoj petlji, replikacija ide u suprotnom smjeru. Zatim se ovaj komad sašije zajedno s ostatkom lanca DNK, ali ispada da je obrnut.

Ako dođe do inverzije u osjetilnom genu, tada će tijekom sinteze peptida neke od njegovih aminokiselina imati obrnuti slijed, što će utjecati na svojstva proteina.