Мутации бывают генными, хромосомными и геномными.
Нарушения в системе хромосом могут быть разного типа. Они происходят на молекулярном (субмикроскопическом) уровне, не сопровождаются видимыми изменениями в структуре хромосом и заключаются в замене (выпадении) одного или нескольких оснований в молекуле ДНК. Это так называемые генные или точковые мутации. Они приводят к возникновению различных сложных нарушений обмена веществ и являются причиной ряда патологических синдромов.
Генные мутации возникают в результате выпадения одного основания в молекуле ДНК, вставки лишнего основания или замены одного другим. Сейчас твёрдо установлено, что генные мутации происходят в периоде удвоения структуры ДНК (репликация), когда снимается копия с генов или целого блока генов (транскрипция). Генные мутации затрагивают структуру самого гена и влекут за собой изменение свойств организма (гемофилия, дальтонизм, альбинизм). Генные мутации возникают как в соматических, так и в половых клетках. Мутации, возникающие в половых клетках, передаются по наследству. Их называют генеративнымимутациями. Изменения в соматических клетках вызывают соматические мутации, распространяющиеся на ту часть тела, которая развивается из изменившейся клетки.
Генные мутации не сопровождаются видимыми изменениями в структуре хромосомы. Предполагается, что эти изменения, происходящие на молекулярном уровне, столь невелики, что их нельзя обнаружить под микроскопом. Поскольку считается, что наследственный материал – это молекулы ДНК, имеющие структуру двойной спирали, а специфичность гена обусловлена специфической последовательностью нуклеотидов, точковые мутации можно рассматривать как какие-то изменения в последовательности нуклеотидов внутри определённого участка ДНК. Однако для определения последовательности нуклеотидов в цепи молекулы ДНК не существует методов, сравнимых с изящными биохимическими методами, служащими для определения последовательности аминокислот в пептидной цепи. Поэтому в настоящее время не представляется возможным выяснить, вызывает ли точковая мутация изменение в самом составе нуклеотидов или в порядке их расположения.
Генные мутации возникают в результате действия на клетку излучения: рентгеновские лучи, гамма – лучи, космические лучи, ультрафиолетовые лучи и все виды излучений, испускаемые при атомном распаде, а также некоторых химических соединений: азотистые аналоги иприта, азотистая кислота, окиси двухатомных радикалов, алкилирующие агенты. Они влияют на специфические основания в молекуле ДНК, это приводит к «ошибкам» при соединении нуклеотидов в пары в процессе последующих репликаций. Мутация действительно произошла лишь в том случае, если изменения, внесенные в молекулу ДНК, обнаруживают способность воспроизводиться неопределенно большое число раз.
Мутации возникают и спонтанно, с низкими, но измеримыми частотами, характерными для каждого вида и каждого гена, некоторые гены значительно «мутабильнее» других. Частоты спонтанных мутаций различных генов человека лежат в пределах от 1*10-5 до 1*10-3 на ген на поколение. Поскольку у человека в общей сложности имеется примерно 2,3*104 генов, общая частота его мутаций оказывается порядка одной мутации на каждого индивидуума в каждом поколении. Другими словами, у каждого из нас в среднем имеется какой-либо мутантный ген, которого не было ни у одного из наших родителей.
Хромосомные и геномныемутации заключаются в изменении структуры или количества хромосом. Их объединяют в группу хромосомных аберраций.
Определенные хромосомные аберрации вызывают патологические состояния – хромосомныеи полихромосомные болезни. Примером полихромосомных болезней может служить сочетание болезни Дауна и лейкозов.
Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом или числа. Изменение числа хромосом может быть кратное или некратное гаплоидному набору (у человека - гетероплодия). Хромосомные мутации, обусловленные изменением структуры, также могут быть нескольких видов: дупликация (удвоение какого-либо участка хромосомы), делеция (выпадение какого – либо участка хромосомы), инверсия (поворот какого - либо участка внутри хромосомы на 180о) и транслокация (обмен негомологичных хромосом отдельными участками).
Геномные мутации возникают вследствие кратного изменения наборов хромосом или геномов.
Таким образом, наследственная информация любого организма записана в последовательности нуклеотидов молекулы ДНК, которая служит матрицей, как для самой себя, так и для синтеза белков. Ошибки синтеза ДНК называются мутациями, а особи, у которых проявляется изменённая генетическая информация – мутантами. Элементарной единицей наследственной информации является ген. Гены собраны в хромосомы, которые находятся в ядрах клеток. Два цитологических механизма митоз и мейоз обеспечивают точную передачу хромосом в процессе формирования соматических и половых клеток.
Одни мутации приводят к изменению последовательности нуклеотидов (генные мутации), другие обусловливают появление неодинакового количества хромосом во вновь образованных клетках, третьи нарушают нормальную работу митотического или мейотического деления, что ведёт к нерасхождению отдельных пар хромосом по дочерним клеткам.
Частота появления указанных типов мутаций разная и очень низкая, но если учесть количество клеток, составляющих организм человека, то в целом она значительна. Естественно, что мутации должны произойти не в обычных клетках, соматических, а в половых, чтобы быть переданными следующим поколениям.
Допустим, что в результате синтеза ДНК конкретного гена получено изменение, то есть произошла генная мутация. Будет ли это изменение в гене гарантией видимой мутации? Тщательное изучение показало, что на пути репликации имеется ряд барьеров, которые должны быть преодолены, только тогда мутация от первичного изменения в ДНК проявится в фенотипе, т.е. на уровне признака организма.
В 1908 году математик из Англии Г. Харди и врач из Германии В. Вайнберг независимо друг от друга, проведя математический анализ распределения генов в популяции, обнаружили закономерность, хорошо описывающуюся формулой, отражающей количественную сторону генотипов и фенотипов в популяции. По закону Харди-Вайнберга, свободно существующие популяции при любом соотношении аллелей из поколения в поколение сохраняют их концентрации постоянными. Но это справедливо для идеальных условий, а в реальной жизни количество аллелей постоянно изменяется. Последнее происходит при родственных браках, мутировании генов, отборе, а также при таких социальных явлениях, как изоляция, миграция и др.
Процесс отбора по устранению нежелательных генов из популяции наиболее эффективен в том случае, когда он направлен против доминантных мутаций при условии их полного выражения и проявления (экспрессивность и пенетрантность). В качестве примера можно привести болезнь ахондроплазию (доминантная карликовость). Когда болезнь проявляется в более позднем возрасте и носитель летального гена уже имеет потомство, то, естественно, такой доминантный ген уже передан потомкам (например, хорея Гантингтона). Бороться с переходом этой и аналогичных болезней от данного поколения к следующим, можно лишь избегая деторождений в этих семьях.
Вырожденность генетического кода также значительно снижает частоту вызванных мутаций.
Представим себе такую ситуацию. При облучении или при обработке химическими мутагенами удалось изменить очерёдность нуклеотидов в гене таким образом, что вместо триплета АГУ образовался один из триплетов типа УЦЦ, УЦА, УЦГ, УЦУ или АГЦ. Тогда при сборке (синтез) белка на нить информационной РНК встанет та же аминокислота, как и у неизменённого, исходного триплета, а именно серин. Возникшая новая очерёдность нуклеотидов в гене не сможет реализоваться, дойти до генетических последствий из-за вырожденности генетического кода. Следовательно, не каждое изменение в очерёдности оснований в гене приводит к мутации.
Таким образом, вырожденность генетического кода является одной из гарантий стабильности работы генетического материала.
Предположим, однако, что вызванное изменение в очерёдности оснований ДНК не было нейтрализовано, не было сведено на нет вырожденности генетического кода.
Именно в процессе репликации и транскрипции нуклеотиды оказываются наиболее доступными для химических соединений, которые изменяют их, что и приводит к ошибкам репликации, или, как ещё их называют ошибками считывания. В результате меняется очерёдность нуклеотидов в ДНК дочерних клеток по сравнению с материнской.
Большинство мутаций приводит к такому искажению генетической информации, которое несовместимо с нормальной жизнедеятельностью. Всё-таки пусть мало, но есть опечатки, которые имеют смысл, причём смысл, отличный от исходного. Вот они-то и являются причиной той самой неопределённой изменчивости, о которой писал Дарвин.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ
Вопросы для обсуждения
1. Раскройте сущность первого и второго закона наследования Г. Менделя.
2. Дайте характеристику генетического определения пола (мужчин
и женщин).
3. Назовите три типа вероятностей.
4. Какие значения может принимать вероятность того или иного события?
5. Дайте определение понятиям «генотип» и «фенотип».
6. Изменения чего вызывают мутации и на каком уровне?
7. Назовите причины генных мутаций.
8. Какие различают виды изменчивости?
9. Что является характерным для модификационной изменчивости?
10. Что влияет на повреждение половых клеток?
Вопросы для самостоятельной работы
1. Рассмотрите на примерах применение законов вероятности к генетике.
2. Изучите возникновение мутаций в соматических и половых клетках.
3. Изучите закон генетического равновесия в популяциях (Г. Харди,
В. Вайнберг).
Индивидуальные задания
1. Генеративные и соматические мутации, их влияние на
изменчивость генотипа.
2. Классификация и характеристика видов изменчивости.
3. Модификационная изменчивость и её влияние на генотип.
Ситуационные задания
Задание 1.
У человека под действием ультрафиолетовых лучей произошло усиление пигментации кожи. Какой вид изменчивости вызвал это состояние?
Задание 2.
У человека под воздействием физических упражнений произошло увеличение массы мышечной системы. Назовите вид изменчивости. Вызвала данная изменчивость изменение генотипа? Будет ли она передана по наследству?
Контрольные вопросы по содержательному модулю 1.
1. Определение молекулярной биологии и генетики.
2. Основные направления истории развития генетики.
3. Химическое строение нуклеиновых кислот – ДНК и РНК.
4. Этапы биосинтеза белка.
5. Определение понятия хромосом и генов.
6. Химическое строение хромосом.
7. Химическое строение генов.
8. Хромосомы и гены – молекулярные носители наследственности.
9. Хромосомы и гены, их роль в механизмах наследственности.
10. Митоз – способ деления соматических клеток.
11. Мейоз – деление половых клеток.
12. Сравнительная характеристика митоза и мейоза.
13. Основные законы передачи наследственных свойств от родителей
к потомкам, сформулированные Г. Менделем.
14. Генетическое определение пола мужчин и женщин.
15. Вероятностные законы и вероятностные отношения.
16. Определение понятия «изменчивость».
17. Генотип, фенотип и их изменчивость.
18. Классификация изменчивости и её характеристика.
19. Определение понятия мутационной изменчивости.
20. Хромосомный комплекс человека.
Тестовые задания к зачётному модулю 1
Задание 1.
Сколько химических веществ входит в состав нуклеотида?
А. 5.
В. 4.
С. 3.
Задание 2.
Какое азотистое основание не входит в состав молекулы ДНК?
А. Аденин.
В. Гуанин.
С. Цитозин.
Д. Урацил.
Задание 3.
Какое азотистое основание не входит в состав молекулы и - РНК?
А. Аденин.
В. Гуанин.
С. Цитозин.
Д. Тимин.
Задание 4.
Сколько этапов включает синтез белка?
А. Один.
В. Два.
С. Три.
Д. Четыре.
Задание 5.
Сколько необходимо триплетов, чтобы зашифровать одну аминокислоту?
А. Два.
В. Три.
С. Четыре.
Д. Шесть.
Е. Все вышеуказанные.
Задание 6.
Участок чего представляет собой ген?
А. Молекулы РНК.
В. Белка.
С. Аминокислоты.
Д. Молекулы ДНК.
Задание 7.
Что является материальной единицей наследственности?
А. Белки.
В. Аминокислоты.
С. Гены.
Задание 8.
Сколько хромосом содержится в соматических клетках человека?
А. 40.
В. 42.
С. 44.
Д. 48.
Е. 46.
Задание 9.
Какое количество хромосом отличает человека от обезьяны?
А. 2.
В. 4.
С. 6.
Д. 8.
Е. 10.
Задание 10.
Сколько хромосом содержится в половых клетках человека?
А. 15.
В. 17.
С. 19.
Д. 21.
Е. 23.
Задание 11.
Для чего характерен диплоидный набор хромосом?
А. Половых клеток человека.
В. Соматических клеток человека.
Задание 12.
Для чего характерен гаплоидный набор хромосом?
А. Половых клеток человека.
В. Соматических клеток человека.
Задание 13.
В каком состоянии проявляет себя рецессивный ген?
А. Гетерозиготном.
В. Гетерозиготном и гомозиготном.
С. Гомозиготном.
Задание 14.
В каком состоянии проявляет своё действие доминантный ген?
А. Гетерозиготном.
В. Гетерозиготном и гомозиготном.
С. Гомозиготном.
Задание 15.
Наследование каких признаков контролирует доминантный ген?
А. Преобладающих.
В. Отступающих или исчезающих.
Задание 16.
Наследование каких признаков контролирует рецессивный ген?
А. Преобладающих.
В. Отступающих или исчезающих.
Задание 17.
Какие значения может принимать вероятность того или иного события?
А. 0-1.
В. 1-2.
С. 1-3.
Задание 18.
Могут ли генные мутации сопровождаться видимыми изменениями в структуре хромосом?
А. Да.
В. Нет.
Задание 19.
Могут ли хромосомные мутации сопровождаются видимыми изменениями в структуре хромосом?
А. Да.
В. Нет.
Задание 20.
Какая изменчивость передаётся по наследству?
А. Фенотипическая.
В. Модификационная.
С. Генетическая.
Д. Мутационная.
Литература
1. Бердышев Г.Д., Криворучко И.Ф. Генетика человека с основами медицинской генетики. – Киев: «Вища школа», 1979. – 487с.
2. Биология/ Под ред. В.А. Мотузного. – Киев, 1985. – С.43-65.
3. Биология/ Под ред. Д.И. Трайтака. – М.: «Просвещение», 1988. – С 110-122; С 161-176.
4. Бородин П.М. Этюды о мутантах. – Москва: «Знание», 1983. – 112с.
5. Гуляев Г.В. Генетика. – Москва: «Колос», 1977. – 360с.
6. Гуляев Г.В. Генетика. – Москва: «Колос», 1984. – 351с.
7. Гуляев Г.Д. Задачник по генетике. – Москва: «Колос», 1984. – 74с.
8. Дубинин Н.П. Общая генетика. – Москва: «Наука», 1970. – 487с.
9. Дубинин Н.П. Вечное движение. – Москва: «Мир», 1973. – 446с.
10. Нейфах А.А., Лозовская Е.Р. Гены и развитие организма. – Москва: «Наука», 1984. – 192с.
11. Попов Е.Б. За семью замками наследственности. – Москва: ВО «Агропромиздат», 1991. – 271с.
12. Соколовская Б.Х. Сто задач по генетике и молекулярной биологии. – Новосибирск: «Наука», 1971. – 64с.
13. Тарасенко Н.Д., Лушанова Г.И. Что вы знаете о своей наследственности. – Новосибирск, 1991. – 109с.
14. Тимченко А.Д. Биология с основами генетики и паразитологии. – Киев: «Вища школа», 1985. – С. 75-189.
15. Фогель Ф. Мотульски А. Генетика человека. – Москва: «Мир», 1990. – Т.2. – 387с.
16. Фогель Ф. Мотульски А. Генетика человека. – Москва: «Мир»,
1990. – Т.3. – 366с.
СОДЕРЖАТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ 2.