se nanaša na genske mutacije. Kaj je mutacija
Mutacijska variabilnost se pojavi v primeru pojava mutacij – vztrajnih sprememb genotipa (t.i. molekul DNK), ki lahko prizadenejo celotne kromosome, njihove dele ali posamezne gene.
Mutacije so lahko koristne, škodljive ali nevtralne. Po sodobni klasifikaciji so mutacije običajno razdeljene v naslednje skupine.
1. Genomske mutacije povezana s spremembo števila kromosomov. Posebej zanimiva je POLIPLOIDIJA – večkratno povečanje števila kromosomov, t.j. namesto nabora 2n kromosomov se pojavi niz 3n,4n,5n ali več. Pojav poliploidije je povezan s kršitvijo mehanizma delitve celic. Zlasti neločitev homolognih kromosomov med prvo delitvijo mejoze vodi do pojava gamet z 2n nizom kromosomov.
Poliploidija je razširjena pri rastlinah in precej redkeje pri živalih (okrogla črva, sviloprejka, nekatere dvoživke). Za poliploidne organizme so praviloma značilne večje velikosti, povečana sinteza organskih snovi, zaradi česar so še posebej dragoceni za plemensko delo.
Sprememba števila kromosomov, povezana z dodajanjem ali izgubo posameznih kromosomov, se imenuje aneuploidija. Aneuploidno mutacijo lahko zapišemo kot 2n-1, 2n+1, 2n-2 itd. Aneuploidija je značilna za vse živali in rastline. Pri ljudeh so z aneuploidijo povezane številne bolezni. Na primer, Downova bolezen je povezana s prisotnostjo dodatnega kromosoma v 21. paru.
2. Kromosomske mutacije - to je preureditev kromosomov, sprememba njihove strukture. Ločeni deli kromosomov se lahko izgubijo, podvojijo, spremenijo svoj položaj.
Shematično je to mogoče prikazati na naslednji način:
ABCDE normalni genski red
ABBCDE podvajanje segmenta kromosoma
Izguba ABDE enega odseka
ABEDC za 180 stopinj
Izmenjava regije ABCFG z nehomolognim kromosomom
Tako kot genomske mutacije imajo tudi kromosomske mutacije veliko vlogo v evolucijskih procesih.
3. Genske mutacije povezana s spremembo sestave ali zaporedja nukleotidov DNK znotraj gena. Genske mutacije so najpomembnejše od vseh kategorij mutacij.
Sinteza beljakovin temelji na skladnosti med razporeditvijo nukleotidov v genu in vrstnim redom aminokislin v proteinski molekuli. Pojav genskih mutacij (spremembe v sestavi in zaporedju nukleotidov) spremeni sestavo ustreznih encimskih proteinov in posledično vodi do fenotipskih sprememb. Mutacije lahko vplivajo na vse značilnosti morfologije, fiziologije in biokemije organizmov. Številne človeške dedne bolezni povzročajo tudi genske mutacije.
Mutacije v naravnih razmerah so redke - ena mutacija določenega gena na 1000-100000 celic. Ampak mutacijsko postopek je v teku nenehno se nenehno kopičijo mutacije v genotipih. In če upoštevamo, da je število genov v telesu veliko, potem lahko rečemo, da je v genotipih vseh živih organizmov znatno število genskih mutacij.
Mutacije so največji biološki dejavnik, ki določa ogromno dedno variabilnost organizmov, ki daje material za evolucijo.
Vzroki za mutacije so lahko naravne motnje v celični presnovi (spontane mutacije), pa tudi delovanje različnih dejavnikov. zunanje okolje(inducirane mutacije). Dejavniki, ki povzročajo mutacije, se imenujejo mutageni. Mutageni so lahko fizični dejavniki- sevanje, temperatura... Biološki mutageni vključujejo viruse, ki lahko prenašajo gene med organizmi ne le bližnjih, ampak tudi oddaljenih sistematičnih skupin.
Človeška gospodarska dejavnost je v biosfero prinesla ogromno mutagenih snovi.
Večina mutacij je neugodnih za življenje posameznika, včasih pa se pojavijo mutacije, ki bi lahko bile zanimive za rejne znanstvenike. Trenutno so bile razvite metode mestno usmerjene mutageneze.
1. Glede na naravo spremembe fenotipa so mutacije lahko biokemične, fiziološke, anatomske in morfološke.
2. Glede na stopnjo prilagodljivosti delimo mutacije na koristne in škodljive. Škodljivo - lahko je smrtonosno in povzroči smrt organizma tudi v embrionalnem razvoju.
Pogosteje so mutacije škodljive, saj so lastnosti običajno posledica selekcije in prilagajanja organizma okolju. Mutacija vedno spremeni prilagoditev. Stopnjo njegove uporabnosti ali neuporabnosti določa čas. Če mutacija omogoči organizmu, da se bolje prilagodi, da novo možnost za preživetje, ga »ujeta« selekcija in se fiksira v populaciji.
3. Mutacije so neposredne in povratne. Slednji so veliko manj pogosti. Običajno je neposredna mutacija povezana z okvaro v delovanju gena. Verjetnost sekundarne mutacije v nasprotni smeri na isti točki je zelo majhna, drugi geni mutirajo pogosteje.
Mutacije so pogosteje recesivne, saj se dominantne pojavijo takoj in jih s selekcijo zlahka "zavrnemo".
4. Glede na naravo spremembe genotipa se mutacije delijo na genske, kromosomske in genomske.
Genske ali točkovne mutacije - sprememba nukleotida v enem genu v molekuli DNK, ki vodi do nastanka nenormalnega gena in posledično do nenormalne strukture beljakovin in razvoja nenormalne lastnosti. Genska mutacija je posledica "napake" pri replikaciji DNK.
Posledica genske mutacije pri človeku so bolezni, kot so srpastocelična anemija, fenilketonurija, barvna slepota, hemofilija. Kot posledica genske mutacije nastanejo novi aleli genov, kar je pomembno za evolucijski proces.
Kromosomske mutacije - spremembe v strukturi kromosomov, kromosomske preureditve. Razlikujemo lahko glavne vrste kromosomskih mutacij:
a) delecija - izguba kromosomskega segmenta;
b) translokacija - prenos dela kromosomov na drug nehomologni kromosom, posledično - sprememba vezne skupine genov;
c) inverzija - vrtenje kromosomskega segmenta za 180 °;
d) podvajanje - podvojitev genov v določenem delu kromosoma.
Kromosomske mutacije vodijo do spremembe v delovanju genov in so pomembne pri evoluciji vrste.
Genomske mutacije - spremembe v številu kromosomov v celici, pojav dodatnega ali izguba kromosoma kot posledica kršitve mejoze. Večkratno povečanje števila kromosomov se imenuje poliploidija (3n, 4/r itd.). Ta vrsta mutacije je pogosta pri rastlinah. Številne gojene rastline so poliploidne glede na svoje divje prednike. Povečanje kromosomov za enega ali dva pri živalih vodi do anomalij v razvoju ali smrti organizma. Primer: Downov sindrom pri človeku - trisomija za 21. par, skupaj je v celici 47 kromosomov. Mutacije je mogoče dobiti umetno z uporabo sevanja, rentgenskih žarkov, ultravijolične svetlobe, kemičnih sredstev in toplote.
Zakon homoloških vrst N.I. Vavilov. Ruski biolog N.I. Vavilov je ugotovil naravo pojavljanja mutacij pri tesno sorodnih vrstah: "Za rodove in vrste, ki so si genetsko blizu, je značilna podobna vrsta dedne variabilnosti s tako pravilnostjo, da je ob poznavanju števila oblik znotraj ene vrste mogoče predvideti prisotnost vzporedne oblike pri drugih vrstah in rodovih."
Odkritje zakona je olajšalo iskanje dednih deviacij. Ob poznavanju variabilnosti in mutacij pri eni vrsti je mogoče predvideti možnost njihovega pojava pri sorodnih vrstah, kar je pomembno pri vzreji.
Genske mutacije. Koncept genskih bolezni.
1. Opredelitev variabilnosti. Razvrstitev njegovih oblik.
Spremenljivost je skupna lastnost živih organizmov, ki sestoji iz spreminjanja dednih lastnosti med ontogenezo (individualni razvoj).
Spremenljivost organizmov je razdeljena na dvoje velik tip:
1. fenotipski, ki ne vpliva na genotip in ni podedovan;
2. genotipski, spreminjajoč genotip in zato podedovan.
Genotipska variabilnost je razdeljena na kombinirano in mutacijsko.
Mutacijska variabilnost vključuje genomske, kromosomske in genske mutacije.
Genomske mutacije so razdeljene na poliploidijo in aneuploidijo
Kromosomske mutacije so razdeljene na delecije, podvojitve, inverzije, translokacije
2. Fenotipska variabilnost. Hitrost reakcije genetsko določenih lastnosti. Prilagodljiva narava sprememb. Fenokopije.
Fenotipska variabilnost (ali nededna, modifikacija) je sprememba fenotipskih značilnosti organizma pod vplivom okoljskih dejavnikov, ne da bi se spremenil genotip.
Na primer: barva dlake himalajskega zajca, odvisno od temperature habitata.
Hitrost reakcije je razpon variabilnosti, znotraj katerega je isti genotip sposoben proizvesti različne fenotipe.
1. široka stopnja reakcije – ko gredo nihanja atributa v širok razpon (na primer: sončne opekline, količina mleka).
2. ozka stopnja reakcije - kadar so nihanja atributa zanemarljiva (na primer: vsebnost maščobe v mleku).
3. nedvoumna stopnja reakcije - ko se znak ne spremeni, pod nobenim pogojem (na primer: krvna skupina, barva oči, oblika oči).
Prilagodljiva narava modifikacij je v tem, da spremenljivost spreminjanja omogoča telesu, da se prilagodi spreminjajočim se okoljskim razmeram. Zato so spremembe vedno koristne.
Če med embriogenezo na telo prizadenejo škodljivi dejavniki, se lahko pojavijo fenotipske spremembe, ki presegajo normo reakcije in niso prilagodljive narave, imenujemo jih razvojne morfoze. Na primer, otrok se rodi brez okončin ali z razcepljeno ustnico.
Fenokopije so razvojne morfoze, ki jih je zelo težko ločiti od dednih sprememb (bolezni).
Na primer: če je noseča ženska zbolela za rdečkami, ima lahko otroka s sivo mreno. Toda ta patologija se lahko pojavi tudi kot posledica mutacije. V prvem primeru govorimo o fenokopiji.
Diagnoza "fenokopija" je pomembna za prihodnjo prognozo, saj se s fenokopijo genski material ne spremeni, torej ostane normalen.
3. Kombinativna variabilnost. Vrednost kombinirane variabilnosti pri zagotavljanju genske raznolikosti ljudi.
Kombinacijska variabilnost je pojav v potomcih novih kombinacij genov, ki jih njihovi starši niso imeli.
Spremenljivost kombinacije je povezana z:
s prehodom v profazo mejoze 1.
z neodvisno divergenco homolognih kromosomov v anafazi mejoze 1.
z naključno kombinacijo gamet med oploditvijo.
Vrednost kombinirane variabilnosti – zagotavlja gensko pestrost osebkov znotraj vrste, ki je pomembna za naravno selekcijo in evolucijo.
4. Mutacijska variabilnost. Glavne določbe teorije mutacij.
Hugo de Vries, nizozemski znanstvenik, je leta 1901 skoval izraz "mutacija".
Mutacija je pojav občasne nenadne spremembe dedne lastnosti.
Proces nastanka mutacij imenujemo mutageneza, organizem, ki v procesu mutageneze pridobi nove lastnosti, pa mutant.
Glavne določbe teorije mutacij po Hugu de Vriesu.
1. mutacije se pojavijo nenadoma brez kakršnih koli prehodov.
2. nastale oblike so precej stabilne.
3. Mutacije so kvalitativne spremembe.
4. Mutacije se pojavljajo v različnih smereh. so lahko tako koristni kot škodljivi.
5. iste mutacije se lahko pojavijo večkrat.
5. Klasifikacija mutacij.
I. Po poreklu.
1. Spontane mutacije. Spontane mutacije ali naravne, se pojavljajo v normalnih naravnih razmerah.
2. Inducirane mutacije. Povzročene mutacije ali umetne se pojavijo, ko so mutageni dejavniki izpostavljeni telesu.
a. fizično (ionizirajoče sevanje, UV, toplote itd.)
b. kemična (soli težkih kovin, dušikova kislina, prosti radikali, gospodinjski in industrijski odpadki, zdravila).
II. Po kraju izvora.
a. Somatske mutacije nastanejo v somatskih celicah in jih podedujejo potomci tistih celic, v katerih so nastale. Ne prenašajo se iz roda v rod.
b. Generativne mutacije se pojavljajo v zarodnih celicah in se prenašajo iz generacije v generacijo.
III. Po naravi fenotipa se spreminja.
1. Morfološke mutacije, za katere je značilna sprememba strukture organa ali organizma kot celote.
2. Fiziološke mutacije, za katere je značilna sprememba f-ti organ ali organizem kot celoto.
3. Biokemične mutacije, povezane s spremembo makromolekule.
IV. Vpliv na sposobnost preživetja organizma.
1. Smrtonosne mutacije v 100 % primerov vodijo do smrti organizma zaradi okvar, nezdružljivih z življenjem.
2. Polletalne mutacije vodijo v smrt v 50-90 % primerov. Običajno organizmi s takšnimi mutacijami ne preživijo do reproduktivnega obdobja.
3. Pogojno smrtonosne mutacije, v nekaterih pogojih organizem umre, v drugih pa preživi (galaktozemija).
4. Koristne mutacije povečujejo sposobnost preživetja organizma in se uporabljajo pri vzreji.
v. Po naravi spremembe dednega materiala.
1. Genske mutacije.
2. Kromosomske mutacije.
6. Genske mutacije, definicija. Mehanizmi nastanka spontanih genskih mutacij.
Genske mutacije ali točkovne mutacije so mutacije, ki se pojavljajo v genih na nukleotidni ravni, medtem ko se struktura gena spreminja, spreminja se molekula mRNA, spreminja se zaporedje aminokislin v proteinu, spreminja se lastnost v telesu.
Vrste genskih mutacij:
- missense mutacije - zamenjava 1 nukleotida v tripletu z drugim bo privedla do dejstva, da bo v proteinsko polipeptidno verigo vključena druga aminokislina, kar običajno ne bi smelo biti, kar bo povzročilo spremembe v lastnostih in funkcijah proteina .
Primer: zamenjava glutaminske kisline z valinom v molekuli hemoglobina.
CTT - glutaminska kislina, CAT - valin
Če pride do takšne mutacije v genu, ki kodira β verigo proteina hemoglobina, potem je v verigo β namesto glutaminske kisline vključen valin → zaradi takšne mutacije se spremenijo lastnosti in funkcije proteina hemoglobina in HbS. pojavi namesto normalnega HbA, posledično se oseba razvije anemija srpastih celic(spremeni se oblika rdečih krvnih celic).
- neumnosti mutacije - zamenjava 1 nukleotida v tripletu z drugim povzroči, da se gensko pomemben triplet spremeni v stop kodon, kar vodi do prekinitve sinteze proteinske polipeptidne verige. Primer: UAC - tirozin. UAA je stop kodon.
Mutacije s premikom v bralnem okviru dednih informacij.
Če se kot posledica genske mutacije v telesu pojavi nova lastnost (na primer polidaktilija), se imenujejo neomorfni.
če zaradi genske mutacije organizem izgubi lastnost (na primer encim med PKU izgine), se imenujejo amorfni.
- seimsens mutacije - zamenjava nukleotida v tripletu vodi do pojava sinonimnega tripleta, ki kodira isti protein. To je posledica degeneracije genetske kode. Na primer: CTT - glutamin CTC - glutamin.
Mehanizmi nastanka genskih mutacij (zamenjava, vstavljanje, izguba).
DNK je sestavljena iz 2 polinukleotidnih verig. Prvič, sprememba se pojavi v 1. verigi DNK - to je pol-mutacijsko stanje ali "primarna poškodba DNK". Vsako sekundo se v celici pojavi 1 primarna poškodba DNK.
Ko poškodba preide na drugo verigo DNK, se pravi, da je mutacija fiksirana, torej da je prišlo do »popolne mutacije«.
Primarna poškodba DNK nastane, ko so moteni mehanizmi replikacije, transkripcije in križanja.
7. Pogostost genskih mutacij. Mutacije so neposredne in povratne, dominantne in recesivne.
Pri ljudeh je frekvenca mutacij = 1x10 -4 - 1x10 -7, to je v povprečju 20-30% človeških gamet v vsaki generaciji.
Pri Drosophili je frekvenca mutacije = 1x10 -5, to je, da 1 gameta od 100 tisoč nosi gensko mutacijo.
a. Neposredna mutacija (recesivna) je mutacija gena iz dominantnega v recesivno stanje: A → a.
b. Reverzna mutacija (dominantna) je mutacija gena iz recesivnega v dominantno stanje: a → A.
Genske mutacije se pojavljajo v vseh organizmih, geni mutirajo v različnih smereh, pa tudi s drugačna frekvenca. Geni, ki redko mutirajo, se imenujejo stabilni, geni, ki pogosto mutirajo, pa spremenljivi.
8. Zakon homoloških vrst v dedni variabilnosti N. I. Vavilova.
Mutacija se pojavlja v različnih smereh, t.j. po naključju. Vendar pa so te nesreče predmet vzorca, odkritega leta 1920. Vavilov. Oblikoval je zakon o homolognih vrstah v dedni variabilnosti.
"Za genetsko blizu vrste in rodove so značilne podobne vrste dedne variabilnosti s takšno pravilnostjo, da je ob poznavanju števila oblik znotraj ene vrste mogoče predvideti obstoj vzporednih oblik pri drugih vrstah in rodovih."
Ta zakon omogoča napovedovanje prisotnosti določene lastnosti pri posameznikih različnih rodov iste družine. Tako je bila predvidena prisotnost volčjega boba brez alkaloidov v naravi. v družini stročnic so rodovi fižola, graha in fižola, ki ne vsebujejo alkaloidov.
V medicini Vavilov zakon dovoljuje uporabo živali, ki so človeku gensko blizu, kot genetske modele. Postavili so poskuse na preučevanje genetskih bolezni. Na primer, sive mrene preučujejo pri miših in psih; hemofilija - pri psih, prirojena gluhost - pri miših, morski prašički, psi.
Vavilov zakon omogoča napovedovanje pojava induciranih mutacij, neznanih znanosti, ki jih je mogoče uporabiti pri vzreji za ustvarjanje rastlinskih oblik, dragocenih za ljudi.
9. Antimutacijske ovire organizma.
- Natančnost replikacije DNK. Včasih se med replikacijo pojavijo napake, takrat se aktivirajo mehanizmi samopopravljanja, ki so usmerjeni v odpravo napačnega nukleotida. Pomembno vlogo ima encim DNA polimeraza, stopnja napake pa se zmanjša za faktor 10 (od 10–5 na 10–6).
- Degeneracija genetske kode. 1 aminokislina lahko kodira več trojčkov, zato zamenjava 1 nukleotida v tripletu v nekaterih primerih ne izkrivlja dednih informacij. Na primer, CTT in CTC sta glutaminska kislina.
- Ekstrahiranje nekateri geni, ki so odgovorni za pomembne makromolekule: rRNA, tRNA, histonski proteini, t.j. proizvede se veliko kopij teh genov. Ti geni so del zmerno ponavljajočih se sekvenc.
- Odvečnost DNK– 99 % je odveč in mutageni faktor pogosteje sodi v teh 99 % nesmiselnih zaporedij.
- parjenje kromosomov v diploidnem nizu. V heterozigotnem stanju se številne škodljive mutacije ne pojavijo.
- izločanje mutantne spolne celice.
- popravilo DNK.
10. Popravilo genskega materiala. .
Popravilo DNK je odstranitev primarne poškodbe DNK in njena zamenjava z normalnimi strukturami.
Obstajata dve obliki reparacije: svetla in temna
A. Popravilo svetlobe (ali encimska fotoreaktivacija). Encimi za popravilo so aktivni samo v prisotnosti svetlobe. Ta oblika popravila je namenjena odstranitvi primarnih poškodb DNK, ki jih povzroča UV svetloba.
Pod delovanjem UV svetlobe se v DNK aktivirajo pirimidinske dušikove baze, kar vodi do tvorbe vezi med pirimidinskimi dušikovimi bazami, ki se nahajajo drug ob drugem v isti verigi DNK, torej nastanejo pirimidinski dimeri. Najpogosteje obstajajo povezave: T=T; T=C; C=C.
Običajno v DNK ni pirimidinskih dimerov. Njihova tvorba vodi do izkrivljanja dednih informacij in motenj normalnega poteka replikacije in transkripcije, kar posledično vodi do genskih mutacij.
Bistvo fotoreaktivacije: v jedru je poseben (fotoreaktivacijski) encim, ki je aktiven le ob prisotnosti svetlobe, ta encim uniči pirimidinske dimerje, torej prekine vezi, ki so nastale med pirimidinskimi dušikovimi bazami pod vplivom UV. svetloba.
Temno popravljanje poteka v temi in na svetlobi, to pomeni, da aktivnost encimov ni odvisna od prisotnosti svetlobe. Delimo ga na predreplikacijsko popravilo in poreplikacijsko popravilo.
Predreplikacijsko popravilo se pojavi pred replikacijo DNK, v ta proces je vključenih veliko encimov:
o endonukleaza
o eksonukleaza
o DNK polimeraza
o DNK ligaza
1. faza. Encim endonukleaza najde poškodovano območje in ga prereže.
2. faza. Encim eksonukleaza odstrani poškodovano območje iz DNK (izrezovanje), kar povzroči vrzel.
3. faza. Encim DNA polimeraza sintetizira manjkajoče mesto. Sinteza poteka po načelu komplementarnosti.
4. faza. Encimi ligaze povežejo ali prišijo novo sintetizirano mesto na verigo DNK. Tako se odpravi primarna poškodba DNK.
Postreplikativno popravilo.
Recimo, da obstaja primarna poškodba DNK.
1. faza. Začne se proces replikacije DNK. Encim DNK polimeraza sintetizira novo verigo, ki je popolnoma komplementarna stari nepoškodovani verigi.
2. faza. Encim DNK polimeraza sintetizira še eno novo verigo, vendar zaobide mesto, kjer se nahaja poškodba. Posledično je nastala vrzel v drugi novi verigi DNK.
3. faza. Na koncu replikacije encim DNK polimeraza sintetizira manjkajoči del komplementarne nove verige DNK.
4. faza. Encim ligaza nato poveže novo sintetizirano regijo z verigo DNK, kjer je bila vrzel. Tako se primarna poškodba DNK ni prenesla na drugo novo verigo, torej mutacija ni postala fiksna.
Kasneje je mogoče primarno poškodbo DNK odstraniti med predreplikacijskim popravilom.
11. Mutacije, povezane z oslabljenim popravilom DNK, in njihova vloga v patologiji.
Sposobnost popravljanja v organizmih se je razvila in utrdila v teku evolucije. Večja kot je aktivnost popravljalnih encimov, bolj stabilen je dedni material. Ustrezni geni so odgovorni za popravljalne encime, tako da če pride do mutacije v teh genih, se aktivnost popravljalnih encimov zmanjša. V tem primeru oseba razvije hude dedne bolezni, ki so povezane z zmanjšanjem aktivnosti popravljalnih encimov.
Takšnih bolezni pri ljudeh je več kot 100. Nekatere med njimi so:
Anemija Fanconi- zmanjšanje števila rdečih krvnih celic, izguba sluha, motnje v srčno-žilnem sistemu, deformacija prstov, mikrocefalija.
Bloomov sindrom - nizka porodna teža, zaostajanje v rasti, povečana dovzetnost za virusna infekcija, povečano tveganje onkološke bolezni. značilna lastnost: Pri krajši izpostavljenosti sončni svetlobi se na koži obraza pojavi pigmentacija v obliki metulja (razširitev krvnih kapilar).
Pigmentna kseroderma- na koži se od svetlobe pojavijo opekline, ki kmalu preidejo v kožnega raka (pri takih bolnikih se rak pojavi 20.000-krat pogosteje). Bolniki so prisiljeni živeti pod umetno razsvetljavo.
Pogostnost bolezni je 1:250.000 (Evropa, ZDA) in 1:40.000 (Japonska)
Dve vrsti progerije – prezgodnje staranje organizem.
12. Genetske bolezni, mehanizmi njihovega razvoja, dedovanje, pogostost pojavljanja.
Genske bolezni (ali molekularne bolezni) so pri človeku precej zastopane, več kot 1000 jih je.
posebna skupina med njimi so prirojene presnovne okvare. Te bolezni je prvi opisal A. Garode leta 1902. Simptomi teh bolezni so različni, vendar vedno pride do kršitve preoblikovanja snovi v telesu. V tem primeru bo nekaterih snovi v presežku, drugih primanjkuje. Na primer, snov (A) vstopi v telo in se pod delovanjem encimov nadalje pretvori v snov (B). Nadalje bi se snov (B) morala spremeniti v snov (C), vendar to prepreči mutacijski blok
(), posledično bo snovi (C) primanjkovalo, snovi (B) pa v presežku.
Nekaj primerov bolezni, povezanih z prirojena napaka metabolizem.
PKU(fenilketonurija, prirojena demenca). Genska bolezen, podedovana na avtosomno recesivni način, se pojavlja s frekvenco = 1:10.000. Fenilalanin je esencialna aminokislina za gradnjo beljakovinske molekule in poleg tega služi kot predhodnik hormona Ščitnica(tiroksin), adrenalin in melanin. Aminokislino fenilalanin v jetrnih celicah mora encim (fenilalanin-4-hidroksilaza) pretvoriti v tirozin. Če ni encima, odgovornega za to transformacijo, ali se njegova aktivnost zmanjša, se bo vsebnost fenilalanina v krvi močno povečala, vsebnost tirozina pa zmanjšana. Presežek fenilalanina v krvi povzroči nastanek njegovih derivatov (fenilocetne, fenilmlečne, fenilpirovinske in druge ketonske kisline), ki se izločajo z urinom in imajo tudi toksični učinek na celice osrednjega živčni sistem kar vodi v demenco.
S pravočasno diagnozo in prenosom dojenčka na prehrano brez fenilalanina je mogoče preprečiti razvoj bolezni.
Albinizem je pogost. Genetska bolezen, podedovana na avtosomno recesivni način. Običajno je aminokislina tirozin vključena v sintezo tkivnih pigmentov. Če pride do mutacijskega bloka, je encim odsoten ali je njegova aktivnost zmanjšana, potem se tkivni pigmenti ne sintetizirajo. V teh primerih koža mlečno bele barve, lasje so zelo svetli, zaradi pomanjkanja pigmenta v mrežnici se sijejo krvne žile, oči imajo rdečkasto rožnato barvo in preobčutljivost na svetlobo.
alkapnonurija. Genska bolezen, podedovana na avtosomno recesivni način, se pojavlja s frekvenco = 3-5:1.000.000. Bolezen je povezana s kršitvijo pretvorbe homogentizinske kisline, zaradi česar se ta kislina kopiči v telesu. Ker se ta kislina izloča z urinom, vodi do razvoja bolezni ledvic, poleg tega alkaliziran urin s to anomalijo hitro potemni. Tudi bolezen se kaže z obarvanjem hrustančnega tkiva, artritis se razvije v starosti. Tako bolezen spremljajo poškodbe ledvic in sklepov.
Genske bolezni, povezane z moteno presnovo ogljikovih hidratov.
Galaktozemija. Genetska bolezen, podedovana avtosomno recesivno, se pojavlja s frekvenco = 1:35.000-40.000 otrok.
Kri novorojenčka vsebuje monosaharid galaktozo, ki nastane med razgradnjo disaharida mleka. laktoze za glukozo in galaktozo. Galaktoze telo ne absorbira neposredno, s posebnim encimom jo mora pretvoriti v asimilirano obliko - glukozo-1-fosfat.
Dedna bolezen galaktozemija je posledica okvare gena, ki nadzoruje sintezo encimske beljakovine, ki pretvori galaktozo v obliko, ki se absorbira. V krvi bolnih otrok bo tega encima zelo malo in veliko galaktoze, kar ugotovimo z biokemično analizo.
Če je diagnoza postavljena v prvih dneh po rojstvu otroka, ga hranijo z mešanicami, kjer ni mlečni sladkor in otrok se normalno razvija. V nasprotnem primeru bo otrok odraščal slaboumno.
cistična fibroza. Genska bolezen se deduje avtosomno recesivno, pojavlja se s frekvenco = 1:2.000-2.500. Bolezen je povezana z mutacijo gena, ki je odgovoren za nosilni protein, vgrajen v plazemsko membrano celic. Ta protein uravnava prepustnost membrane za ione Na in Ca. Če je prepustnost teh ionov v celicah eksokrinih žlez oslabljena, začnejo žleze proizvajati gosto, viskozno skrivnost, ki zapira kanale eksokrinih žlez.
Razdelite pljučne in črevesne oblike cistične fibroze.
Marfanov sindrom. Genetska bolezen, podedovana na avtosomno dominanten način. Povezan je s kršitvijo presnove proteina fibrilina v vezivnem tkivu, kar se kaže v kompleksu znakov: "pajkovi" prsti (arahnodaktilija), visoka rast, subluksacija leče, srčne in žilne okvare, povečana emisija v kri adrenalina, nagnjenost, potopljeni prsni koš, visok stopalni lok, šibkost vezi in kit itd. Prvič je leta 1896 opisal francoski pediater Antonio Marfan.
PREDAVANJE 10 Strukturne mutacije kromosomov.
1. Strukturne mutacije kromosomov (kromosomske aberacije).
Ločimo naslednje vrste kromosomskih aberacij.
– izbrisi
– podvajanja
– inverzije
- obročni kromosomi
– translokacije
– transpozicije
S temi mutacijami se spremeni struktura kromosomov, spremeni se vrstni red genov v kromosomih, spremeni se doza genov v genotipu. Te mutacije najdemo v vseh organizmih, so:
Spontana (povzročena zaradi dejavnika neznane narave) in inducirana (narava dejavnika, ki je povzročil mutacijo, je znana)
Somatski (vpliva na dedni material somatskih celic) in generativni (spremembe dednega materiala gamet)
Koristno in škodljivo (slednje je veliko bolj pogosto)
Uravnovešen (genotipski sistem se ne spremeni, kar pomeni, da se fenotip ne spremeni) in neuravnotežen (genotipski sistem se spremeni, kar pomeni, da se spremeni tudi fenotip)
Če mutacija prizadene dva kromosoma, govorijo o interkromosomskih preureditev.
Če mutacija prizadene 1 kromosom, govorijo o intrakromosomskih prerazporeditvah.
2. Mehanizmi nastanka strukturnih mutacij kromosomov.
Hipoteza povezave vrzeli. Domneva se, da pride do zlomov v enem ali več kromosomih. Nastanejo odseki kromosomov, ki se nato povežejo, vendar v drugačnem zaporedju. Če pride do preloma pred replikacijo DNK, potem sta v ta proces vključeni 2 kromatidi - to je izokromatid vrzel. Če pride do preloma po replikaciji DNK, potem je v proces vključena 1 kromatida - to kromatida vrzel.
Druga hipoteza je, da se med nehomolognimi kromosomi zgodi proces, podoben crossingoveru, t.j. nehomologna kromosomi se zamenjajo.
3. Izbrisi, njihovo bistvo, oblike, fenotipski učinek. Psevdodominacija..
Delecija (pomanjkanje) je izguba segmenta kromosoma.
V kromosomu lahko pride do 1 preloma, ki bo izgubil terminalni del, ki ga bodo uničili encimi (pomanjkanje)
lahko pride do dveh prelomov v kromosomu z izgubo osrednje regije, ki jo bodo prav tako uničili encimi (intersticijska delecija).
V homozigotnem stanju so delecije vedno smrtne, v heterozigotnem stanju pa se kažejo z več malformacijami.
Zaznavanje izbrisa:
Diferencialno obarvanje kromosomov
Glede na sliko zanke, ki nastane med konjugacijo homolognih kromosomov v profazi mejoze 1. Zanka nastane na normalnem kromosomu.
Delecijo so najprej preučevali pri muhi Drosophila, pri kateri je prišlo do izgube dela kromosoma X. V homozigotnem stanju je ta mutacija smrtonosna, v heterozigotnem stanju pa se fenotipsko kaže kot zareza na krilu (Notch mutacija). Pri analizi te mutacije je bil ugotovljen poseben pojav, ki se imenuje psevdodominacija. V tem primeru se recesivni alel manifestira fenotipsko, saj se zaradi delecije izgubi kromosomska regija z dominantnim alelom.
Pri ljudeh se delecije pogosteje pojavljajo v kromosomih od 1 do 18. Na primer, delecija kratkega kraka petega kromosoma v heterozigotnem stanju se fenotipsko kaže kot sindrom "mačjega joka". Otrok se rodi z velikim številom patologij, živi od 5 dni do meseca (zelo redko do 10 let), njegov jok spominja na mačje ostro mijavkanje.
Intersticijska delecija se lahko pojavi na kromosomu 21 ali 22 hematopoetskih matičnih celic. V heterozigotnem stanju se fenotipsko kaže kot perniciozna anemija.
4. Podvajanja, inverzije, krožni kromi. Mehanizem izvora. fenotipsko izražanje.
podvajanje- podvajanje nekega dela kromosoma (ta del se lahko večkrat ponovi). Podvajanja so lahko neposredna in obratna.
S temi mutacijami se odmerek genov v genotipu poveča, v homozigotnem stanju pa so te mutacije smrtonosne. V heterozigotnem stanju se kažejo z več malformacijami. Vendar pa so te mutacije morda imele vlogo pri evoluciji. Na ta način bi lahko nastale družine genov za hemoglobin.
Možno je, da so se kot posledica podvajanja pojavile ponavljajoče se sekvence nukleotidov DNK.
Zaznavanje podvajanja:
Slika zanke v profazi mejoze 1. Zanka se pojavi na mutiranem kromosomu.
Inverzija - ločitev segmenta kromosoma, ki ga obrnemo za 180 ° in pritrdimo na staro mesto. Pri inverzijah se doza genov ne spremeni, spremeni pa se vrstni red genov v kromosomu, t.j. menjava skupine sklopke. Končnih inverzij ni.
V homozigotnem stanju so inverzije smrtonosne, v heterozigotnem stanju pa se kažejo z več malformacijami.
Odkrivanje inverzij:
Diferencialno obarvanje.
Slika v obliki dveh nasprotnih zank v profazi mejoze 1.
Inverzije so 2 vrsti:
paracentrična inverzija, ki ne vpliva na centromero, ker prelomi se pojavijo znotraj enega kraka kromosoma
pericentrična inverzija, ki vpliva na centromero, kot se pojavijo prelomi na obeh straneh centromere.
Pri pericentrični inverziji se lahko konfiguracija kromosoma spremeni (če konci zasukanih odsekov niso simetrični). To onemogoča kasnejšo konjugacijo.
Fenotipska manifestacija inverzij je najblažja v primerjavi z drugimi kromosomskimi aberacijami. Če recesivni homozigoti umrejo, se neplodnost najpogosteje opazi pri heterozigotih.
Obročasti kromosomi. Običajno v človeškem kariotipu ni obročnih kromosomov. Pojavijo se lahko pod vplivom mutagenih dejavnikov, predvsem izpostavljenosti sevanju, na telo.
V tem primeru se v kromosomu pojavita 2 prekinitve in nastalo območje se zapre v obroč. Če obročni kromosom vsebuje centromero, se oblikuje centrični obroč. Če centromere ni, nastane acentrični obroč, ki ga encimi uničijo in se ne podeduje.
Obročne kromosome odkrijemo s kariotipizacijo.
V homozigotnem stanju so te mutacije smrtonosne, medtem ko se v heterozigotnem stanju fenotipsko manifestirajo kot delecije.
Obročasti kromosomi so označevalci izpostavljenosti sevanju. Večji kot je odmerek radioaktivne izpostavljenosti, več je kromosomov v obroču in slabša je napoved.
5. Translokacije, njihovo bistvo. Vzajemne translokacije, njihove značilnosti in medicinski pomen. Robertsonove translokacije in njihova vloga v dedni patologiji.
Translokacija je premikanje segmenta kromosoma. Obstajajo medsebojne (recipročne) in nevzajemne (transpozicije) translokacije.
Vzajemne translokacije se pojavijo, ko dva nehomologna kromosoma zamenjata svoje regije.
Robertsonove translokacije (centrične fuzije) predstavljajo posebno skupino translokacij. Izpostavljeni so ji akrocentrični kromosomi – izgubijo kratke krake, dolgi kraki pa so povezani.
Vzrok za 4-5% primerov rojstva otroka s puhom so Robertsonove translokacije. V tem primeru se dolga roka 21. kromosoma premakne na enega od kromosomov skupine D (13, 14, 15, pogosteje je vključen kromosom 14).
Vrste zigotnih spermijev v jajčni celici
14 + 14, 21 14,14,21 monosomija 21 (smrtonosna)
14/21,21 + 14, 21 14/21,21,14,21 trisomija 21 (Downic)
21 + 14, 21 21,14,21, monosomija 14 (smrtonosna)
14.14/21 + 14, 21 14.14/21.14.21 trisomija 14 (smrtonosna)
14/21 + 14, 21 14/21,14,21 fenotipsko zdrav
Kot lahko vidite, lahko ženska z Robertsonovsko translokacijo rodi zdravega otroka.
Izguba kratkih krakov ne vpliva na nič, saj se tam nahajajo območja, ki tvorijo nukleole, najdemo pa jih tudi v drugih kromosomih.
Bolnik s translokacijsko obliko Downovega sindroma ima v celicah 46 kromosomov. Jajčnik po translokaciji bo imel 45 kromosomov. Vendar pa ima samica z uravnoteženo mutacijo 45 kromosomov.
Odkrivanje translokacij:
Diferencialno obarvanje.
Slika križa v profazi mejoze 1.
6. Trapozicije. Mobilni genetski elementi. Mehanizmi gibanja skozi genom in pomen.
Če translokacije niso v naravi vzajemnosti, potem govorimo o transpoziciji.
Posebna skupina transpozonov so mobilni genetski elementi (MGE) ali skakajoči geni, ki jih najdemo v vseh organizmih. V muhi Drosophila predstavljajo 5 % genoma. Pri ljudeh so MGE združeni v družino ALU.
MGE so sestavljeni iz 300-400 nukleotidov, ki se v človeškem genomu ponovijo 300 tisoč krat.
Na koncih MGE so ponovitve nukleotidov, sestavljene iz 50-100 nukleotidov. Ponovitve so lahko neposredne in povratne. Zdi se, da ponovitve nukleotidov vplivajo na gibanje MGE.
Obstajata dve različici gibanja MGE skozi genom.
1. z uporabo postopka reverzne transkripcije. Za to je potreben encim reverzna transkriptaza (revertaza). Ta možnost poteka v več fazah:
na DNK encim RNA polimeraza (drugo ime je transkriptaza) sintetizira mRNA,
na mRNA encim reverzna transkriptaza sintetizira eno verigo DNK,
encim DNA polimeraza zagotavlja sintezo druge verige DNK,
sintetizirani fragment je zaprt v obroč,
obroč DNK se vstavi v drug kromosom ali na drugo mesto na istem kromosomu.
2. s pomočjo encima transpozaze, ki izreže MGE in jo prenese na drug kromosom ali na drugo mesto na istem kromosomu
Med evolucijo je imel MGE pozitivno vlogo, saj izvedli so prenos genetskih informacij z ene vrste organizmov na drugo. Pomembno vlogo pri tem so imeli retrovirusi, ki vsebujejo RNA kot dedni material, vsebujejo pa tudi reverzno transkriptazo.
MGE se gibljejo po genomu zelo redko, en premik na sto tisoč dogodkov v celici (pogostnost premikov je 1 x 10–5).
V vsakem posameznem organizmu MGE ne igrajo pozitivne vloge, ker gibljejo se po genomu, spreminjajo delo genov, povzročajo genske in kromosomske mutacije.
7. inducirana mutageneza. Fizikalni, kemični in biološki mutageni dejavniki.
Inducirane mutacije nastanejo, ko je telo izpostavljeno mutagenim dejavnikom, ki so razdeljeni v 3 skupine:
Fizikalni (UFL, rentgenski žarki in sevanje, elektromagnetna polja, visoke temperature).
Tako lahko ionizirajoče sevanje deluje neposredno na molekule DNK in RNA in v njih povzroči poškodbe (genske mutacije). Posredni vpliv tega
mutagen na dednem aparatu celic je tvorba genotoksičnih snovi (H 2 O 2, OH - , O 2 - ,).
Kemični mutageni dejavniki. Obstaja več kot 2 milijona kemikalij, ki lahko povzročijo mutacije. To so soli težkih kovin, kemični analogi dušikovih baz (5-bromouracil), alkilacijske spojine (CH 3, C 2 H 5).
8. sevalne mutacije. Genetsko tveganje kontaminacije okolje.
Radiacijske mutacije so mutacije, ki jih povzroča sevanje. Leta 1927 je ameriški genetik Heinrich Mehler prvič pokazal, da obsevanje z rentgenskimi žarki povzroči znatno povečanje pogostosti mutacij pri drozofili. To delo je pomenilo začetek nove smeri v biologiji - sevalne genetike. Zahvaljujoč številnim delom, opravljenim v zadnjih desetletjih, zdaj vemo, da ko elementarni delci (kvani, elektroni, protoni in nevtroni) vstopijo v jedro, pride do ionizacije vodnih molekul s tvorbo prostih radikalov (OH - , O 2 -) . Ker imajo veliko kemično aktivnost, povzročajo zlome DNK, poškodbe nukleotidov ali njihovo uničenje; Vse to vodi do mutacij.
Ker je človek odprt sistem, lahko spadajo različni dejavniki onesnaževanja okolja Človeško telo. Mnogi od teh dejavnikov lahko spremenijo ali poškodujejo dedni material živih celic. Posledice teh dejavnikov so tako resne, da človeštvo ne more prezreti onesnaževanja okolja.
9. Mutageneza in karcinogeneza.
Teorijo mutacij raka je prvič predlagal Hugo De Vries leta 1901. Danes obstaja veliko teorij kancerogeneze.
Ena izmed njih je genska teorija karcinogeneze. Znano je, da človeški genom vsebuje več kot 60 onkogenov, ki so sposobni uravnavati delitev celic. Kot protoonkogeni so v neaktivnem stanju. Pod vplivom različnih mutagenih dejavnikov se protoonkogeni aktivirajo in postanejo onkogeni, ki povzročajo intenzivno celično proliferacijo in razvoj tumorja.
PREDAVANJE 11 Mutacije v številu kromosomov. haploidija, poliploidija,
Aneuploidija.
1. Bistvo mutacij v številu kromosomov, vzroki in mehanizmi nastanka.
Za vsako vrsto organizma je značilen lasten kariotip. Konstantnost kariotipa v številnih generacijah se ohranja s procesi mitoze in mejoze. Včasih se med mitozo ali mejozo moti razhajanje kromosomov, kar povzroči celice s spremenjenim številom kromosomov. V celicah se lahko spremeni število celih haploidnih nizov kromosomov, v tem primeru pa se pojavijo takšne mutacije, kot so:
Haploidija - en sam niz kromosomov (n)
Poliploidija - povečanje števila kromosomov za večkratnik haploidnega niza (3n, 4n itd.)
Aneuploidija je sprememba števila posameznih kromosomov (46 +1).
Nabor kromosomov se lahko spreminja tako v somatskih celicah kot v spolnih celicah.
Vzroki za kršitev divergence kromosomov:
povečana viskoznost citoplazme
obrat polarnosti celice
disfunkcija vretena.
Vsi ti razlogi vodijo v tako imenovani pojav "anafaznega zamika".
To pomeni, da so v anafazi mitoze ali mejoze kromosomi razporejeni neenakomerno, t.j. nekateri kromosomi ali skupina kromosomov ne dohajajo preostalih kromosomov in se izgubijo za eno od hčerinskih celic.
2. Haploidija, značaj spremembe kariotipa, razširjenost, fenotipska manifestacija.
Haploidija je zmanjšanje števila kromosomov v celicah organizma na haploidno. V celicah se močno zmanjša število kromosomov in odmerek genov, torej se spremeni genotipski sistem, kar pomeni, da se spremeni tudi fenotip.
Vzroki za mutacije
Mutacije se delijo na spontano in inducirano. Spontane mutacije se pojavljajo spontano skozi celotno življenje organizma v normalnih okoljskih pogojih s frekvenco približno 10 do −9 moči - 10 do −12 na nukleotid na celično generacijo. Povzročene mutacije imenujemo dedne spremembe v genomu, ki so posledica določenih mutagenih učinkov v umetnih (eksperimentalnih) pogojih ali pod neugodnimi vplivi okolja.
Med procesi, ki potekajo v živi celici, se nenehno pojavljajo mutacije. Glavni procesi, ki vodijo do nastanka mutacij, so replikacija DNK, moteno popravljanje DNK in genetska rekombinacija.
Povezava mutacij z replikacijo DNK
Številne spontane kemične spremembe v nukleotidih vodijo do mutacij, ki se pojavijo med replikacijo. Na primer, zaradi deaminacije citozina se lahko uracil vključi v verigo DNK nasproti nje (nastane par U-G namesto kanoničnega para C-G). Med replikacijo DNK nasproti uracilu se adenin vključi v novo verigo, nastane par U-A, med naslednjo replikacijo pa ga nadomesti T-A par, torej pride do prehoda.
Povezava mutacij z rekombinacijo DNK
Od procesov, povezanih z rekombinacijo, neenako prehajanje najpogosteje vodi do mutacij. Običajno se pojavi, ko je na kromosomu več podvojenih kopij izvirnega gena, ki ohranijo podobno nukleotidno zaporedje. Zaradi neenakega križanja pride do podvajanja v enem od rekombinantnih kromosomov, v drugem pa do delecije.
Povezava mutacij s popravilom DNK
Spontana poškodba DNK je precej pogosta in takšni dogodki se dogajajo v vsaki celici. Za odpravo posledic takšne poškodbe obstajajo posebni mehanizmi za popravilo (na primer, napačen segment DNK se izreže in na tem mestu se obnovi izvirni). Mutacije se pojavijo le, če mehanizem za popravilo iz nekega razloga ne deluje ali se ne more spopasti z odpravo škode. Mutacije, ki se pojavijo v genih beljakovin, odgovornih za popravilo, lahko povzročijo večkratno povečanje (učinek mutacije) ali zmanjšanje (antimutatorski učinek) frekvence mutacij drugih genov. Tako mutacije v genih številnih encimov sistema za popravilo ekscizij vodijo do močnega povečanja pogostosti somatskih mutacij pri ljudeh, kar posledično vodi do razvoja pigmentne kseroderme in maligni tumorji ovitki.
Mutageni
Obstajajo dejavniki, ki lahko znatno povečajo pogostost mutacij – mutageni dejavniki. Tej vključujejo:
- kemični mutageni - snovi, ki povzročajo mutacije,
- fizikalni mutageni - ionizirajoče sevanje, vključno z naravnim sevanjem ozadja, ultravijolično sevanje, visoka temperatura itd.,
- biološki mutageni - na primer retrovirusi, retrotranspozoni.
Klasifikacije mutacij
Obstaja več klasifikacij mutacij po različnih kriterijih. Möller je predlagal, da bi mutacije glede na naravo spremembe v delovanju gena razdelili na hipomorfna(spremenjeni aleli delujejo v isti smeri kot aleli divjega tipa; sintetizira se le manj beljakovinski izdelek), amorfna(mutacija je videti kot popolna izguba genske funkcije, na primer mutacija belo v Drosophila) antimorfna(spreminja se mutantna lastnost, na primer barva koruznega zrna se spremeni iz vijolične v rjavo) in neomorfni.
V sodobni izobraževalni literaturi se uporablja tudi bolj formalna klasifikacija, ki temelji na naravi sprememb v strukturi posameznih genov, kromosomov in genoma kot celote. V tej klasifikaciji se razlikujejo naslednje vrste mutacij:
- genetski
- kromosomski
- genomski.
Posledice mutacij za celico in organizem
Mutacije, ki poslabšajo delovanje celice v večceličnem organizmu, pogosto vodijo do uničenja celice (zlasti do programirane celične smrti, apoptoze). Če intra- in zunajcelični obrambni mehanizmi mutacija ni bila prepoznana in celica je šla skozi delitev, potem se bo mutantni gen prenesel na vse potomce celice in najpogosteje privede do dejstva, da vse te celice začnejo delovati drugače.
Vloga mutacij v evoluciji
Ob pomembni spremembi pogojev obstoja se lahko tiste mutacije, ki so bile prej škodljive, izkažejo za koristne. Tako so mutacije stvar naravne selekcije. Tako so melanistične mutante (temno obarvane osebke) v populacijah brezovega moljca (Biston betularia) v Angliji prvič odkrili znanstveniki med tipičnimi svetlimi posamezniki sredi 19. stoletja. Temna obarvanost se pojavi kot posledica mutacije v enem genu. Metulji preživijo dan na deblih in vejah dreves, običajno pokritih z lišaji, pred katerimi se prikriva svetla barva. Zaradi industrijske revolucije, ki jo je spremljalo onesnaženje zraka, so lišaji umrli, lahka debla brez so bila prekrita s sajami. Posledično je do sredine 20. stoletja (za 50-100 generacij) v industrijskih območjih temna morfologija skoraj popolnoma nadomestila svetlega. Izkazalo se je, da je glavni razlog za prevladujoče preživetje črne oblike plenjenje ptic, ki so selektivno jedle svetle metulje na onesnaženih območjih.
Če mutacija vpliva na "tihe" odseke DNK ali vodi do zamenjave enega elementa genetske kode s sinonimnim, se običajno v fenotipu ne kaže na noben način (manifestacija takšne sinonimne zamenjave je lahko povezana z različnimi frekvencami uporabe kodona). Vendar pa je takšne mutacije mogoče odkriti z metodami genske analize. Ker se večina mutacij pojavi kot posledica naravni vzroki, potem se ob predpostavki, da se osnovne lastnosti okolja niso spremenile, izkaže, da bi morala biti stopnja mutacij približno konstantna. To dejstvo je mogoče uporabiti za preučevanje filogenije - študija izvora in odnosov različnih taksonov, vključno z ljudmi. Tako mutacije v tihih genih služijo kot nekakšna "molekularna ura" za raziskovalce. Teorija "molekularne ure" izhaja tudi iz dejstva, da je večina mutacij nevtralnih, hitrost njihovega kopičenja v danem genu pa ni odvisna ali pa je šibko odvisna od delovanja naravne selekcije in zato ostane dalj časa konstantna. Za različne gene pa bo ta stopnja različna.
Študija mutacij v mitohondrijski DNK (podedovana po materinski liniji) in v Y-kromosomih (podedovana po očetovski liniji) se v evolucijski biologiji pogosto uporablja za preučevanje izvora ras in narodnosti, za rekonstrukcijo biološkega razvoja človeštva.
Problem naključnih mutacij
V štiridesetih letih prejšnjega stoletja je bilo med mikrobiologi priljubljeno stališče, da so mutacije posledica izpostavljenosti okoljskemu dejavniku (na primer antibiotiku), na katerega omogočajo prilagajanje. Za preverjanje te hipoteze sta bila razvita fluktuacijski test in metoda replike.
Luria-Delbruckov fluktuacijski test je v tem, da se majhne dele začetne kulture bakterij razpršijo v epruvete s tekočim medijem, po več ciklih delitev pa se v epruvete doda antibiotik. Nato (brez kasnejših delitev) preživele bakterije, odporne na antibiotike, nanesemo na Petrijeve posode s trdnim medijem. Test je pokazal. da je število stabilnih kolonij iz različnih epruvet zelo spremenljivo – v večini primerov je majhno (ali nič), v nekaterih primerih pa zelo veliko. To pomeni, da so se mutacije, ki so povzročile odpornost na antibiotike, pojavile v naključnem času pred in po izpostavljenosti antibiotiku.
Metoda replik (v mikrobiologiji) je, da se iz originalne petrijevke, kjer na trdnem mediju rastejo kolonije bakterij, naredi odtis na dlakavo tkivo, nato pa se bakterije iz tkiva prenesejo v več drugih posod, kjer vzorec njihove lokacije se izkaže za enak kot na originalni skodelici. Po izpostavljenosti antibiotiku na vseh ploščah preživijo kolonije, ki se nahajajo na istih točkah. S setvijo takšnih kolonij na nove plošče lahko pokažemo, da so vse bakterije znotraj kolonije odporne.
Tako je bilo z obema metodama dokazano, da »prilagodljive« mutacije nastanejo neodvisno od vpliva faktorja, ki mu omogočajo prilagajanje, in v tem smislu so mutacije naključne. Vendar ni dvoma, da je možnost določenih mutacij odvisna od genotipa in je kanalizirana s prejšnjim potekom evolucije (glej zakon o homolognih vrstah pri dedni variabilnosti). Poleg tega se pogostost mutacij različnih genov seveda razlikuje in različna spletna mesta znotraj istega gena. Znano je tudi, da višji organizmi uporabljajo "ciljne" (tj. ki se pojavljajo v določenih regijah DNK) mutacije v mehanizmih imunosti. Z njihovo pomočjo se ustvarijo različni kloni limfocitov, med katerimi so vedno celice, ki so sposobne dati imunski odziv na novo, telesu neznano bolezen. Ustrezni limfociti so pozitivno izbrani, kar ima za posledico imunološki spomin.
Poglej tudi
Povezave
Inge-Vechtomov S.V. Genetika z osnovami selekcije. M., Višja šola, 1989.
Opombe
| evolucijska biologija | |
|---|---|
| Mehanizmi in procesi | Prilagoditev Speciacija Genetski drift Naravna selekcija Dednost Variabilnost Mikroevolucija Makroevolucija Mutacije Prenos genov |
| Pojav življenja | Kemična evolucija Hipoteza RNA sveta Biološka evolucija |
| Zgodovina evolucijske doktrine | Geoffreyizem Brokizem Darvinizem Lamarkizem Pangeneza Ortogeneza Avtogeneza Nomogeneza Saltationizem Katastrofizem Neokatastrofizem |
| Sodobni koncepti | Sintetična teorija evolucije Teorija punktuiranega ravnotežja Nevtralna teorija molekularne evolucije Epigenetska teorija evolucije Ekosistemska teorija evolucije |
| Človek | Antropogeneza |
Fundacija Wikimedia. 2010 .
Kot del formalne klasifikacije obstajajo:Genomske mutacije - sprememba števila kromosomov;
kromosomske mutacije - preureditev strukture posameznih kromosomov;
genske mutacije - in / ali zaporedja sestavnih delov genov (nukleotidov) v strukturi DNK, katerih posledica je sprememba količine in kakovosti ustreznih beljakovinskih produktov.
Genske mutacije nastanejo s substitucijo, delecijo (izgubo), translokacijo (premik), podvajanjem (podvojitev), inverzijo (spremembo) nukleotidov znotraj posameznih genov. V primeru, ko gre za transformacije znotraj posameznega nukleotida, se uporablja izraz točkovna mutacija.
Takšne nukleotidne transformacije povzročajo pojav treh mutantnih kod:
S spremenjenim pomenom (missense mutacije), ko se v polipeptidu, ki ga kodira ta gen, ena aminokislina nadomesti z drugo;
z nespremenjenim pomenom (nevtralne mutacije) - zamenjavo nukleotidov ne spremlja zamenjava aminokislin in nima opaznega vpliva na strukturo ali funkcijo ustreznega proteina;
nesmiselne (nesmiselne mutacije), ki lahko povzročijo prekinitev polipeptidne verige in imajo največji škodljiv učinek.
Mutacije v različnih delih gena
Če gen obravnavamo z vidika strukturne in funkcionalne organizacije, potem lahko izpade, vstavke, substitucije in premike nukleotidov, ki se pojavljajo v njem, razdelimo v dve skupini:1. mutacije v regulacijskih regijah gena (v promotorskem delu in na mestu poliadenilacije), ki povzročajo kvantitativne spremembe v ustreznih produktih in se klinično kažejo glede na mejno raven beljakovin, vendar je njihova funkcija še vedno ohranjena;
2. mutacije v kodirnih regijah gena:
v eksonih - povzročijo prezgodnjo prekinitev sinteze beljakovin;
v intronih - lahko ustvarijo nova mesta spajanja, ki posledično nadomestijo prvotna (normalna) mesta;
na mestih spajanja (na stičišču eksonov in intronov) - vodijo do prevajanja nesmiselnih beljakovin.
Za odpravo posledic tovrstne škode obstajajo posebni mehanizme za popravilo. Bistvo katerega je odstraniti napačen del DNK, nato pa se na tem mestu obnovi prvotni. Samo v primeru, da mehanizem za popravilo ni deloval ali se ni spopadel s škodo, pride do mutacije.
Vrste genskih mutacij:
Genske mutacije se pojavljajo pogosteje kot kromosomske in genomske mutacije, vendar manj bistveno spremenijo strukturo DNK, v glavnem se nanašajo le na kemično strukturo enega samega gena. Predstavljajo zamenjavo, odstranitev ali vstavitev nukleotida, včasih več. Prav tako genske mutacije vključujejo translokacije (prenos), podvajanja (ponavljanje), inverzije (180 ° flip) genskih odsekov, ne pa tudi kromosomov.
Genske mutacije se pojavijo med replikacijo DNK, križanjem in so možne v drugih obdobjih celičnega cikla. Mehanizmi za popravilo ne odpravijo vedno mutacij in poškodb DNK. Poleg tega lahko sami služijo kot vir genskih mutacij. Na primer, pri spajanju koncev zlomljenega kromosoma se pogosto izgubi več parov nukleotidov.
Če sistemi za popravilo prenehajo normalno delovati, pride do hitrega kopičenja mutacij. Če pride do mutacije v genih, ki kodirajo popravljalne encime, je lahko moteno delo enega ali več njegovih mehanizmov, zaradi česar se bo število mutacij močno povečalo. Vendar pa včasih pride do nasprotnega učinka, ko mutacija genov za popravljalne encime povzroči zmanjšanje pogostosti mutacij drugih genov.
Poleg primarnih mutacij se lahko v celicah pojavijo tudi povratne mutacije, ki obnavljajo prvotni gen.
Večina genskih sprememb, kot so mutacije v drugih dveh vrstah, je škodljivih. Pojav mutacij, ki povzročajo uporabne lastnosti za določene okoljske razmere, je redek. Vendar pa se možen proces evolucijo.
Genske mutacije ne vplivajo na genotip, temveč na posamezne dele gena, kar posledično povzroči pojav nove različice lastnosti, to je alelov, in ne nove lastnosti kot take. Mouton- to je osnovna enota procesa mutacije, ki lahko privede do nastanka nove različice lastnosti. Pogosto je to dovolj za spremembo enega para nukleotidov. S tega vidika muton ustreza enemu paru komplementarnih nukleotidov. Po drugi strani pa vse genske mutacije po posledicah niso mutone. Če sprememba v nukleotidnem zaporedju ne povzroči spremembe lastnosti, potem s funkcionalnega vidika do mutacije ni prišlo.
En par nukleotidov ustreza in izvid je osnovna enota rekombinacije. Pri križanju v primeru kršitve rekombinacije pride do neenake izmenjave mest med konjugiranimi kromosomi. Posledično pride do vstavljanja in brisanja nukleotidnih parov, kar povzroči premik v bralnem okvirju, nadaljnjo motnjo sinteze peptida z potrebne lastnosti. Tako je en dodaten ali izgubljen par nukleotidov dovolj za izkrivljanje genetskih informacij.
Pogostnost spontanih genskih mutacij se giblje od 10 -12 do 10 -9 na nukleotid DNK na celično delitev. Za izvedbo raziskav znanstveniki celice izpostavijo kemičnim, fizičnim in biološkim mutagenom. Tako povzročene mutacije imenujemo inducirano, njihova frekvenca je večja.
Zamenjava dušikovih baz
Če pride do spremembe samo enega nukleotida v DNK, se takšna mutacija imenuje točka. V primeru mutacij po vrsti zamenjave dušikovih baz se en komplementarni nukleotidni par molekule DNK v nizu replikacijskih ciklov nadomesti z drugim. Pogostnost takšnih incidentov je približno 20 % skupne mase vseh genskih mutacij.
Primer tega je deaminacija citozina, ki povzroči nastanek uracila.
V DNK se namesto G-C tvori nukleotidni par G-U. Če napake ne popravi encim DNA glikolaza, se bo med replikacijo zgodilo naslednje. Verige se bodo razpršile, nasproti gvanina bo nameščen citozin, nasproti uracila pa adenin. Tako bo ena od hčerinskih molekul DNK vsebovala nenormalno par u-a. Med njegovo kasnejšo replikacijo bo timin nameščen v eno od molekul nasproti adenina. To pomeni, da bo v genu par G-C zamenjan z A-T.
Drug primer je deaminacija metiliranega citozina, kar povzroči tvorbo timina. Kasneje se lahko pojavi gen s parom T-A namesto C-G.
Lahko pride do povratnih zamenjav: par A-T pri določenih kemijskih reakcijah ga lahko nadomestimo s C-G. Na primer, v procesu replikacije se bromouracil lahko veže na adenin, ki pri naslednji replikaciji pritrdi gvanin nase. V naslednjem ciklu se bo gvanin vezal na citozin. Tako bo v genu par A-T zamenjan s C-G.
Zamenjava enega pirimidina z drugim pirimidinom ali enega purina z drugim purinom se imenuje prehod. Pirimidini so citozin, timin in uracil. Purini so adenin in gvanin. Zamenjava purina za pirimidin ali pirimidina za purin se imenuje transverzijo.
Točkovna mutacija morda ne vodi do nikakršnih posledic zaradi degeneracije genetske kode, ko več trojnih kodonov kodira isto aminokislino. To pomeni, da lahko zaradi zamenjave enega nukleotida nastane drug kodon, ki pa kodira isto aminokislino kot stari. Ta nukleotidna substitucija se imenuje sinonim. Njihova pogostost je približno 25 % vseh nukleotidnih substitucij. Če se pomen kodona spremeni, začne kodirati za drugo aminokislino, potem se imenuje zamenjava misense mutacija. Njihova pogostost je približno 70%.
V primeru missense mutacije bo med prevajanjem v peptid vključena napačna aminokislina, zaradi česar se bodo njegove lastnosti spremenile. Stopnja spremembe bolj zapletenih značilnosti organizma je odvisna od stopnje spremembe lastnosti beljakovin. Na primer, pri anemiji srpastih celic se v beljakovini nadomesti samo ena aminokislina - glutamin za valin. Če glutamin nadomestimo z lizinom, se lastnosti beljakovin ne spremenijo veliko, torej sta obe aminokislini hidrofilni.
Točkovna mutacija je lahko taka, da se namesto kodona, ki kodira aminokislino, pojavi stop kodon (UAG, UAA, UGA), kar prekine (prekine) prevod. To je nesmiselne mutacije. Včasih pride do povratnih zamenjav, ko se namesto stop kodona pojavi čutni kodon. S kakršno koli takšno gensko mutacijo funkcionalne beljakovine ni več mogoče sintetizirati.
Premik okvirja za branje
Genetske mutacije vključujejo mutacije s premikanjem okvirja, ko se spremeni število nukleotidnih parov v genu. To je lahko izguba ali vstavitev enega ali več nukleotidnih parov v DNK. Največ je genskih mutacij po vrsti zamika okvirja. Najpogosteje se pojavljajo v ponavljajočih se zaporedjih nukleotidov.
Vstavljanje ali brisanje nukleotidnih parov se lahko pojavi kot posledica izpostavljenosti nekaterim kemikalijam, ki deformirajo dvojno vijačnico DNK.
Rentgensko obsevanje lahko privede do izgube, to je delecije, mesta z velikim številom nukleotidnih parov.
Vstavitve niso redke, če so vključene v nukleotidno zaporedje t.i mobilni genetski elementi ki lahko spremenijo njihov položaj.
Neenakomerno križanje vodi do genskih mutacij. Najpogosteje se pojavi v tistih delih kromosomov, kjer je lokaliziranih več kopij istega gena. V tem primeru pride do križanja tako, da pride do delecije mesta v enem kromosomu. Ta regija se prenese na homologni kromosom, v katerem pride do podvajanja genske regije.
Če pride do izbrisa ali vstavitve števila nukleotidov, ki ni večkratnik treh, se bralni okvir premakne in prevod genetske kode je pogosto nesmiseln. Poleg tega se lahko pojavi nesmiselna trojka.
Če je število vstavljenih ali izpuščenih nukleotidov večkratnik treh, lahko rečemo, da se premik bralnih okvirjev ne zgodi. Vendar pa bodo med prevajanjem takšnih genov vključene dodatne aminokisline ali pa bodo pomembne aminokisline izgubljene v peptidni verigi.
Inverzija znotraj gena
Če pride do inverzije segmenta DNK znotraj enega samega gena, se takšna mutacija imenuje mutacija gena. Inverzije večjih regij se imenujejo kromosomske mutacije.
Do inverzije pride zaradi 180 obrata segmenta DNK. ° . Pogosto se to zgodi, ko se v molekuli DNK tvori zanka. Pri replikaciji z zanko gre podvajanje v nasprotni smeri. Nato se ta kos zašije skupaj s preostalo verigo DNK, vendar se izkaže, da je obrnjen.
Če pride do inverzije v čutnem genu, bodo med sintezo peptida nekatere njegove aminokisline imele obratno zaporedje, kar bo vplivalo na lastnosti proteina.
