Биохимическая генетика. Основы биохимической генетики

Классификация мутаций

Особенности мутаций

1. Мутационные изменения обусловлены изменением наследственных структур в половых или соматических клетках и могут воспроизводиться в поколениях, то есть являются наследственными;

2. Мутации возникают внезапно у единичных особей, носят случайный, ненаправленный характер, могут быть рецессивными и доминантными;

3. Мутации могут идти в разных направлениях, затрагивать один или несколько признаков и свойств, могут быть ценными, полезными или вредными. Мутации, снижающие выживаемость мутантов более чем на 10%, вредны для природных популяций (Ригер Р., Михаэлис А., 1967). В сельскохозяйственной практике ценность мутации определяется ее значением для селекции;

4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

1. Геномные (полиплоидия)

А) Гаплоидия

Б)Эуплоидия

Автополиплоидия

Аллоплоидия

В)Гетероплоидия

2. Хромосомные аберации

Делеция

Дефишенси

Инверсия

Дупликация

Фрагментация

Транслокация

Транспозиция

Замена нуклеотидов в ДНК

Вставка или выпадение нуклеотидов в ДНК

Полиплоидия – этогеномная мутация, обусловленная изменением числа хромосом в клетках, а также процесс возникновения или создания геномных мутантов (полиплоидов). Полиплоидия чаще встречается у растений и является защитной реакцией организма (в горах больше полиплоидных растений). Полиплоиды отличаются от диплоидов плодовитостью. Гаплоиды – это организмы, которые имеют одинарный набор хромосом. В клетках гаплоидов содержится только половина соматического набора хромосом (п), присущего данному виду, то есть такое же число хромосом, как и в нормальных половых клетках – гаметах. Гаплоиды бесплодны, но могут размножаться партеногенетически и сохраняться при вегетативном размножении.

Эуплоиды (истинные полиплоиды) – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом одного вида или происходит соединение и кратное увеличение хромосомных наборов разных видов. Автополиплоиды – организмы, в клетках которых содержится более двух гаплоидных наборов хромосом, присущих данному виду (триплоиды (3 п число хромосом), тетраплоиды (4п), пентаплоиды (5п), гексаплоиды (6п) и т.д.). Автополиплоидия обуславливает изменение морфологических признаков и свойств, присущих исходным типам. У полиплоидов увеличиваются размеры ядра и клетки в целом, а также количество органоидов цитоплазмы – пластид, митохондрий, рибосом. Аллополиплоиды – межвидовые полиплоиды, в кариотипе которых содержаться удвоенные наборы хромосом разных видов. Аллополиплоидам обычно присущи признаки и свойства исходных диплоидных родительских форм в различных сочетаниях, как это обычно бывает при межвидовой и межродовой гибридизации. Полиплоидизация позволяет восстановить плодовитость, так как межвидовые и межродовые гибриды, как правило бесплодны.

Гетероплоиды – или анеуплоиды – это организмы, число хромосом у которых некратное гаплоидному (2п-1, 2п+1). Причиной возникновения гетероплоидов может быть отсутствие разделения хромосом на хроматиды, при отсутствии коньюгации гомологичных хромосом. В зависимости от числа дополнительных или недостающих хромосом применяют следующие термины: 2п-1 12 – моносомик, 2п-2 12 – нуллисомик, 2п+1 5 – трисомик, 2п+2 5 – тетрасомик. Нижний индекс указывает номер хромосомной пары в кариотипе, в которой изменилось число хромосом.

Полиплоидия у животных встречается крайне редко. Например, золотистый хомячок в кариотипе которого содержится 44 хромосомы, в то время как у животных других родов серого и обыкновенного хомяка их 22. У аксолотля были получены тетраплоидные самки. При скрещивании их с диплоидными самцами было получено триплоидное, полностью бесплодное потомство. Бычий гипогонадизм характеризуется трисомией по половой Х-хромосоме. Такие бычки отстают в росте и развитии, характеризуются недоразвитием вторичных половых признаков и сниженным уровнем спермопродукции вплоть до ее отсутствия.

У людей установлены и описаны следующие болезни (синдромы полиплоидии): синдром Патау – тяжелое заболевание, обусловленное трисомией по 13-й хромосоме. Частота встречаемости – 1:5000-7000 новорожденных. Характерна многопалость (полидактилия), пороки внутренних органов (перегородки сердца), головного мозга и высокая ранняя смертность. Синдром Дауна обусловлен трисомией по 21-1 хромосоме. Частота встречаемости 1:700-800 рождений. Характерна умственная отсталость, разболтанность суставов, пороки формы головы и лица. Моносомия по Х-хромосоме обуславливает синдром Шершевского-Тернера. Характерно бесплодие (так как у таких женщин нет яичников), недоразвитие половых признаков, низкий рост. Отмечены случаи рождения мужчин только с одной Х-хромосомой, а У-хромосома отсутствует в результате анеуплоидной мутации. В медицине этот синдром называется Клайнфелтера. Характерно недоразвитие семенников, евнухоидное телосложение. Трисомия по хромосоме 8 приводит к ряду аномалий – косоглазию, дефектам в строении ногтей, увеличению носа и ушей, умственной отсталости. Нуллисомия (полное отсутствие какой-либо хромосомы) для человека смертельно. Нуллисомия по той или иной хромосоме может привести к гибели, и связана с фенотипическими изменениями.

Огромное большинство генов организма строго локализовано, каждый ген находится в определенном месте одной из хромосом. С помощью генетических и цитологических методов для каждой хромосомы можно составить ее генную карту. Только некоторые так называемые мобильные генетические элементы («прыгающие гены») могут быть разбросаны в разных местах хромосом и способны время от времени перемещаться в другие места той же или другой хромосомы.

Рассмотрим хромосомные аберрации (перестройки).

Характер хромосомной перестройки во многом зависит от состояния хромосомы в момент воздействия мутагенного фактора. Если хромосома находится в состоянии одиночной нити (период G 1 интерфазы, анафаза и телофаза митоза), то в последующий период S интерфазы она удваивается и аберрация сохраняется в обеих хроматидах, то есть возникают хромосомные аберрации. Если мутаген действует на хромосому, находящуюся в состоянии двойной нити (период G 2 или S интерфазы, профаза и метафаза митоза), аберрация может произойти только в одной хроматиде. В этом случае возникают хроматидные перестройки .

Различают внутри- и межхромосомные аберрации.

Внутрихромосомные аберрации.

Делеция – выпадение участка хромосомы в средней ее части, содержащего обычно целый комплекс генов. В случае выпадения концевого участка возникает концевая делеция – дефишенси. Когда делеция и дефишенси захватывают небольшой фрагмент хромосомы, это вызывает изменение признака, например желтую окраску тела и белоглазие у дрозофилы. Крупные делеции вызывают гибель организма. Иллюстрацией вредного действия крупных делеций может служить хронический миелоз у человека. Это тяжелая форма белокровия, характеризующаяся безудержным размножением некоторых видов лейкоцитов, вызывается очень крупной делецией в одной из аутосом 21-й пары.

Инверсия – возникает в результате разрыва хромосомы одновременно в двух местах с сохранением внутреннего участка, который воссоединяется с этой же хромосомой после поворота на 180 о. Инверсия не влияет на фенотип особи. Гетерозиготность по инверсии сильно мешает в мейозе нормальной коньюгации и образуются анеуплоидные половые клетки. У гомозиготных по инвертированной хромосоме особей коньюгация в мейозе протекает нормально. Результатом инверсии могут быть гетероплоидные потомки или бесплодие. Инверсии часто встречаются в природе. Особенно много получено данных о распространении инверсий в популяциях разных видов мух, комаров и мошек, у которых инверсии легко обнаружить в хромосомах слюнных желез, где они имеют огромные размеры и ясно выраженную структуру.

Дупликация – удвоение участка хромосомы. Характерны слабые фенотипические проявления. В эволюционном плане дупликации обогащают генотипы новыми генами (полосковидные глаза у дрозофилы при дупликации гена Bar).

Межхромосомные аберрации .

Транслокация - обмен участками между негомологичными хромосомами. У особей гетерозиготных по транслокации нарушается коньюгация гомологичных хромосом и образуются нежизнеспособные гаметы (или ранняя эмбриональная смертность). Такие особи характеризуются пониженной плодовитостью или образуются гетероплоидные потомки (мутанты тутового шелкопряда, где самцы выводятся только из белых яичек и образуют более крупные коконы для шелководства).

Транспозиция (инсерция) - это вставка в какое-либо место хромосомы мобильного генетического элемента (мгэ), перенесенного туда из другого места той же или другой хромосомы. В геноме организма может присутствовать несколько разных мгэ в сумме они могут составлять 10-15 % генома. Мутации, вызываемые транспозицией, иногда нестойки (ревертируемы). Для бактерий показано, что транспозиции мгэ могут происходить между близкими видами, а также между бактериальной хромосомой и геномом заразившего ее вируса (фага).

Фрагментация – происходит в результате разрыва хромосом или хроматид в нескольких местах одновременно. Обуславливает возникновение летальных мутантов.

Генные, или толчковые мутации – это изменение структуры молекулы ДНК на участке определенного гена, кодирующего синтез соответствующей белковой молекулы (или стойкие изменения отдельных генов). У любого организма генные мутации приводят к чрезвычайно разнообразным изменениям всевозможных морфологических, физиологических и биохимических признаков. У бактерий генные мутации изменяют цвет и форму колоний, подвижность клеток, темп их деления, способность сбраживать различные сахара, устойчивость к высокой температуре, лекарственным веществам, восприимчивость к заражению фагами, способность расти на неполноценной питательной среде, токсичность и т.д. У дрозофилы в результате генных мутаций изменяются цвет, размер и строение глаз, размер, форма и жилкование крыльев, строение брюшка, груди, ног и усиков, число, толщина и форма щетинок, плодовитость, продолжительность жизни, быстрота выработки условных рефлексов. Картина генных мутаций в общих чертах универсальна для всех живых существ.

Генные мутации могут быть доминантными, рецессивными или полудоминантными. Примером может служить доминантная мутация у дрозофилы, вызывающая развитие щетинок на жилках крыльев мухи. Различный характер редукции щетинок на теле дрозофилы вызывали множественные аллели гена scut – sc 1 ,sc 2 ,sc 3 . Впервые множественный аллелизм был установлен в 1930 г. А.С.Серебровским, Н.П.Дубининым и Б.П.Сидоровым у дрозофилы. Множественным аллелизмом называют различное состояние одного и того же локуса (гена), обусловленное толчковыми мутациями, детерминирующими различное проявление одного и того же признака или свойства. Аллели одного гена, возникшие в результате толчковой мутации, называют множественными аллелями. Ярким примером множественного аллелизма могут служить аллели, кодирующие синтез глобина – белка, необходимого для образования сложных молекул гемоглобина крови. Известно 100 типов гемоглобина, контролируемых серией множественных аллелей. В гомозиготном состоянии гемоглобин обусловливает тяжелое наследственное заболевание – серповидно-клеточную анемию.

Процесс восстановления первоначальной структуры и исправления повреждений молекулы ДНК называется репарацией. Наиболее изучены фотореактивация и темновая репарация. Фотореактивация осуществляется фотореактивирующим ферментом. Свет активирует фермент, и он восстанавливает исходную структуру молекулы ДНК, поврежденную ультрафиолетовыми лучами. Темновая репарация протекает в несколько этапов при участии четырех типов ферментов, последовательное действие которых исправляет повреждение ДНК (эндонуклеаза-обследует, эндонуклеаза-расширяет участок ДНК, ДНК-полимераза - синтезирует, лигаза – скрепляет синтезированные ДНК).

Генетические различия в активности репарирующих ДНК-ферментов представляет одну из главных причин разной устойчивости организмов к действию мутагенов, в частности ионизирующей радиации и ультрафиолетовых лучей. Подобные различия существуют не только между генотипически неодинаковыми особями в пределах вида, но и между равными видами. Так, у человека известна врожденная болезнь, называемая пигментной ксеродермией. Кожа таких людей ненормально чувствительна к солнечным лучам и при их интенсивном воздействии покрывается крупными пигментными пятнами, изъязвляется, а иногда процесс приобретает злокачественный характер (рак кожи). Пигментная ксеродермия вызывается мутацией, инактивирующей ген, ответственный за синтез фермента, репарирующего повреждения ДНК кожных клеток ультрафиолетовой частью солнечных лучей.

Знание разных типов мутаций и причин их возникновения необходимо для практической селекции микроорганизмов, возделываемых растений и домашних животных, а также для ветеринарной медицины и медицины с целью диагностики, предупреждения и изыскания способов лечения болезней животных и человека.

Наиболее разительны успехи в селекции бактерий и грибов – продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ. Активность лучистого гриба – продуцента витамина В12 – повысилась в 6 раз, а активность бактерии – продуцента аминокислоты лизина – в 300-400 раз. Искусственное вызывание мутаций используется и экономически оправданно в селекции растений. Пшеница, рожь, кукурузу, ячмень и другие культуры превосходят исходные формы по урожайности, содержанию белка, скороспелости, устойчивости к полеганию, к разным болезням. Советским генетиком Струнниковым В.А. разработан пригодный для практического шелководства и широко теперь внедренный способ получения у тутового шелкопряда только мужского потомства. Коконы самцов содержат на 25-30% больше шелка, чем коконы самок.

Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика – это наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 г., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь «врожденной ошибкой метаболизма». Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие сине-зеленого окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.

В 1914 г. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.

Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.

Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.

Порфирия – болезнь крупного рогатого скота, возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин – это обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его – это последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). Если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота, голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свиней – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свиней – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.

Перечисленные болезни относят к ферментопатиям .

В 1950 г. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).

Генетический код.

Кодом наследственности или гентическим кодом называется процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 г. в США.

Колинеарность генетического кода

Методическая разработка по дисциплине ОП.04. Генетика человека с основами медицинской генетики разработана преподавателем Фоминой Л.Н. по теме «Биохимические и молекулярные основы наследственности» для специальности 31.02.02. Акушерское дело. Методическая разработка включает технологическую карту с методическим описанием каждого этапа лекции, приложения – лекцию и структурно-логические схемы сравнения молекул ДНК и РНК, лекцию-презентацию по теме «Биохимические и молекулярные основы наследственности», список основной и дополнительной литературы.

Для закрепления материала предлагается студентам составить структурно-логические схемы по видам РНК. Принцип составления структурно-логической схемы объясняется преподавателем на лекции.

Данная методическая разработка может быть использована преподавателями генетики для проведения занятий по данной теме.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования

«Чебоксарский медицинский колледж»

Министерства здравоохранения и социального развития Чувашской Республики

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

Дисциплина ОП.04. Генетика человека с основами медицинской генетики

Тема: «Биохимические и молекулярные основы наследственности»

Разработалапреподаватель

генетики Фомина Л.Н.

Рассмотрено на заседании

ЦМК Общепрофессиональных дисциплин

Протокол № _____

от «___» _________2015 г.

Председатель ЦМК:

Г.И. Кириллова

Чебоксары, 2015

Аннотация.

Актуальность

Успехи Биохимии в значительной мере определяют не только современный уровень медицины, но и ее возможный дальнейший прогресс. Одной из основных проблем биохимии и молекулярной биологии становится исправление дефектов генетического аппарата. Радикальная терапия наследственных болезней, связанных с мутационными изменениями тех или иных генов, ответственных за синтез определенных белков и ферментов, в принципе возможна лишь путем трансплантации синтезированных invitro или выделенных из клеток аналогичных «здоровых» генов. Весьма заманчивой задачей является также овладение механизмом регуляции считки генетической информации, закодированной в ДНК, и расшифровки на молекулярном уровне механизма клеточной дифференцировки в онтогенезе. Проблема терапии ряда вирусных заболеваний, особенно лейкозов, вероятно, не будет решена до тех пор, пока не будет полностью ясен механизм взаимодействия вирусов (в частности, онкогенных) с инфицируемой клеткой. В этом направлении интенсивно ведутся работы во многих лабораториях мира. Выяснение картины жизни на молекулярном уровне позволит не только полностью понять происходящие в организме процессы, но и откроет новые возможности в создании эффективных лекарственных средств, в борьбе с преждевременным старением, развитием сердечно-сосудистых заболеваний, продлении жизни.

Методическая разработка теоретического занятия для преподавателя.

Дата:	Дисциплина: ОП.04. Генетика человека с основами медицинской генетики
Специальность:	31.02.02. Акушерское дело
Семестр: 1 семестр	Курс: 1
Тема:	« Биохимические и молекулярные основы наследственности».
Тип занятия:	Урок овладения новым материалом.
Цели занятия:	Формирование ОК: ОК 4. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития. ПК: ПК 2.1. Проводить лечебно-диагностическую, профилактическую, санитарно-просветительную работу с экстрагенитальной патологией под руководством врача. ПК 2.2. Выявлять физические и психические отклонения в развитии ребёнка, осуществлять уход, лечебно-диагностические и профилактические мероприятия детям под руководством врача.
Образовательные:	Формировать знания о биохимических и молекулярных основах наследственности; умений использовать знания о биохимических основах наследственности для проведения предварительной диагностики наследственных болезней.
Воспитательные:	Воспитывать интерес к предмету; Воспитывать усидчивость и любовь к выбранной профессии; Воспитывать стремление к самообразованию
Развивающие:	Формировать и развивать навыки анализировать, проводить сравнение; Развивать умение использовать полученные знания на других дисциплинах; Развивать внимание, память, мышление.
Межпредметные связи:	Педиатрия, акушерство, сестринское дело, хирургия.
Внутрипредметные связи:	«Цитологические основы наследственности», «Закономерности наследования признаков»,«Генные болезни», «Медико-генетическое консультирование».
Методы обучения:	Объяснительно - иллюстрированный
Оснащение занятия:	Наглядность: 1. Лекция презентация. Дидактический материал: 1. Унифицированная лекция. 2. Структурно – логические схемы. 3. КТП. 4.Задачи по биосинтезу белка.
Планируемый результат:	Студент должен иметь представление: о механизме биосинтеза белка.
	Студент должен знать: 1.Латинскую терминологию данной темы. 2.Строение и функцию нуклеиновых кислот. 3.Понятия ген и генетический код. 4.Этапы биосинтеза белка
Структура занятия:	Организационная часть -1 мин.
	Входной контроль знаний – 2 мин.
	Сообщение темы, цели, плана, актуализация – 5 мин.
	Демонстрационная часть – 20 мин.
	Решение задач – 10 мин.
	Закрепление учебного материала -3 мин.
	Подведение итогов – 2 мин.
	Домашнее задание – 2 мин.

Технологическая карта теоретического занятия

Этапы занятия	Время (мин)	Деятельность преподавателя	Деятельность студентов	Обоснование методических приемов
Организационная часть.	мин.	Проверяет готовность аудитории и внешний вид студентов. Приветствует студентов, отмечает отсутствующих.	Приветствуют преподавателя, старосты групп докладывают об отсутствующих.	Воспитывает у студентов дисциплинированность, ответственность , аккуратность. Создается деловой настрой на учебную деятельность.
Входной контроль знаний.	Мин.	Предлагает устно ответить на вопросы, представленные на слайде: 1. Назвать молекулу выполняющую функцию хранения и воспроизведения наследственной информации. 2. В какой части клетки находится ДНК? 3. В какой части клетки находится РНК? 4. Как называются вещества, состоящие из повторяющихся структурных фрагментов соединённых в длинные макромолекулы? 5. Как называются повторяющиеся структурные фрагменты полимера? 6. Мономерами ДНК и РНК являются… 7. Мономерами белка являются…	Отвечают на вопросы.	Позволяет определить уровень базовых знаний по данной теме.
Сообщение темы, цели, плана, актуализация и мотивация.	мин.	Сообщает тему лекции, указывая на ее значимость. В качестве мотивации учебной деятельности приводит поговорки, связанные с наследственностью, например: «Дареным хромосомам в гены не смотрят!», «Любишь делиться – люби и ДНК синтезировать», «Семеро экзонов одного не ждут», «И ДНК-полимераза один раз, да ошибается», «Прост генетический код, а как сложна живая природа». Излагает план и цели занятия: 1.Генетическая роль нуклеиновых кислот. 2.Ген и генетический код. 3.Биосинтез белка.	Внимательно слушают, записывают в тетрадь тему, план занятия.	Нацеливает студентов на осознанное восприятие и осмысление темы. Настраивает на целенаправленную деятельность, внимание.
Демонстрационная часть	мин.	Излагает новый учебный материал по плану с демонстраций слайдов (Приложение № 1)	Конспектируют новый учебный материал.
Решение задач	мин.	Предлагает решить задачи на биосинтез белка (Приложение № 2)	Решают задачи у доски	Способствует лучшему восприятию нового учебного материала.
Закрепление и обобщение материала	мин.	Преподаватель предлагает устно ответить на вопросы, представленные на слайде: 1. Как соединяются нуклеотиды в цепочку в молекулах ДНК и РНК? 2. Как соединяются две цепочки нуклеотидов в молекулу ДНК? 3. Назовите виды РНК. 4. Назовите пуриновые азотистые основания. 5. Назовите пиримидиновые азотистые основания. 6. Где осуществляется первый этап синтеза белка? 7. Где осуществляется второй этап синтеза белка? Затем преподаватель в качестве закрепления демонстрирует студентам, как нужно составить СЛС по сравнительной характеристике ДНК и РНК (Приложение № 3).	Смотрят на слайды и отвечают. Смотрят на слайд и изучают.	Позволяет определить уровень усвоения нового материала. Способствует развитию исследовательских умений
Подведение итогов.	мин.	Выделяет главное по теме: 1.Строение ДНК и РНК. 2.Понятие гена и генетического кода. 3.Этапы биосинтеза белка.	Слушают, анализируют слова преподавателя. Подчеркивают в тетрадях главное.	Способствует конкретизации знаний по данной теме.
Домашнее задание	мин.	Предлагает записать задание на дом: 1. выписать в словарь и объяснить следующие термины: репликация, репарация, триплет, кодон, транскрипция, трансляция. 2. продолжить составление структурно-логической схемы к семинарскому занятию. 3. Решить задачу. Называет литературу.	Записывают домашнее задание. Слушают методические указания.	Активизируется самоподготовка. Воспитывается интерес к учебной деятельности.

Литература:

Основная литература:

Рубан Э.Д. Генетика человека с основами медицинской генетики. Учебник/Э.Д.Рубан.- Рн/Д: Феникс, 2015. –стр.34-46.
Бочков Н.П. Медицинская генетика. Учебник / Под ред. Н.П. Бочкова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. –стр.27-37.
Хандогина Е.К., Терехова И.Д., Жилина С.С. и др. Генетика человека с основами медицинской генетики. Учебник / Е.К. Хандогина, И.Д. Терехова, С.С. Жилина. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. – стр.25-34.
Акуленко Л.В., Угаров С.Д. Биология с основами медицинской генетики. Учебник / Л.В. Акуленко, С.Д.Угаров; Под ред. О.О. Янушевича, С.Д. Арутюнова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. – стр.31-46.
Акуленко Л.В., Угаров И.В. Медицинская генетика. Учебник / Л.В. Акуленко, И.В. Угаров; Под ред. О.О. Янушевича, С.Д. Арутюнова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. – стр.31-42.

Дополнительная литература:

Шевченко В.А. Генетика человека. М. «Владос» 2013-239с
Гайнутдинов И.К. Медицинская генетика. Ростов-на-Дону, «Феникс», 2010, 415с
Щипков В.П., Кривошеина Г.Н. Практикум по медицинской генетике, М. 2011, 271с

Интернет-ресурс:

Приложение № 1

Тема. 3 БИОХИМИЧЕСКИЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

План:

Генетическая роль нуклеиновых кислот.
Генетический код и его свойства.
Биосинтез белка.
Генная инженерия и биотехнология.

1. Генетическая роль нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты (нк) – ядерные кислоты (лат.нуклеус – ядро). Представлены ДНК и РНК, их функция - хранение и передача наследственной информации о строении, развитии и функции живого организма.

Строение молекулы ДНК.

ДНК – линейный полимер, имеющий вид двойной спирали. Мономерами ДНК являются нуклеотиды. В клетке ДНК находится в ядре, митохондриях и пластидах.

Нуклеотиды ДНК состоят из:

одного из четырех азотистых оснований – А,Г (-пуриновые), Ц или Т (-пиримидиновые)
углевода – дезоксирибозы
остатка фосфорной кислоты.

Нуклеотиды соединяются в цепочку так: углевод одного нуклеотида с остатком фосфорной кислоты другого.

Две цепочки нуклеотидов соединяются в молекулу ДНК по принципу комлементарности : в молекуле ДНК аденин всегда соединяется с тимином, гуанин с цитозином. Пара А-Т соединена двумя водородными связями, а пара Г-Ц – тремя.

Принцип комплементарности находится в зависимости от правила Чаргаффа : содержание аденина в молекуле ДНК всегда равно содержанию тимина, а гуанина – количеству цитозина. [ А] = [ Т ] и [ Г ] = [ Ц]; а также

[ А+ Г ] =[ Т + Ц], т. е молярная сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований.

А Т А

Г Ц Г

Молекула ДНК- это правозакрученная спираль; азотистые основания лежат внутри спирали; углеводные остатки и фосфатные группы – снаружи.

Цепи антипараллельны, т. е направлены в противоположные стороны, так если одна цепь имеет направление от 3 – конца к 5 – концу, то в другой цепи 3 – концу соответствует 5 –конец и наоборот.

Молекула ДНК обладает свойствами: репликации и репарации.

Репликация - это процесс самоудвоения молекулы ДНК при участии ферментов.

В молекуле ДНК связи между нуклеотидами при соединении их в цепочку очень прочны, это обуславливает сохранение последовательности азотистых оснований и структуры генов.

Между азотистыми основаниями – водородные связи; они способны легко разрушаться. Это обеспечивает разъединение ДНК на самостоятельные нити, способствует репликации ДНК.

Репликация происходит в синтетический (s) период интерфазы.

В процессе репликации участвует фермент – ДНК- полимераза, который разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, цепи ДНК расходятся и на каждой из них по принципу комплиментарности из свободных нуклеотидов (раннее синтезированных в цитоплазме) собирается вторая цепочка.

Согласно принципу комплиментарности эти новые нуклеотиды присоединяются к строго определенным местам: А=Т; Г=Ц.

Синтез дочерних молекул на соседних цепях идет с разной скоростью. На одной цепи новая молекула собирается непрерывно, на другой – с некоторым отставанием, в виде фрагментов, которые затем сшиваются специальным ферментом ДНК - лигазой.

Каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплиментарной цепи.

В каждой из 2 х молекул ДНК одна цепь остается от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной. Такой принцип репликации назван полуконсервативным.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской клетки к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.

Репарация ДНК - исправление нарушений последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

Если при репликации ДНК последовательность нуклеотидов в ее молекуле нарушается в силу каких либо причин, то в большинстве случаев эти повреждения устраняются клеткой самостоятельно.

Изменение обычно происходит в одной из цепей ДНК. Вторая цепь остается неизменной.

Репарация включает в себя следующие три этапа:

Распознание и удаление поврежденного участка, с помощью ферментов – ДНК – репарирующих нуклеаз;
Другой фермент ДНК – полимераза – копирует информацию с неповрежденной цепи, вставляя необходимые нуклеотиды в поврежденную цепь.
ДНК – лигаза сшивает вставленный участок с цепью ДНК.

В итоге, поврежденная молекула восстанавливается. Однако бывают случаи, когда «репликативная машина» пропускает или вставляет несколько лишних нуклеотидов, включает Ц вместо Т или А вместо Г. Такие изменения последовательности в молекуле ДНК являются мутациями. Их воспроизведение в последующих поколениях клеток, приводит к патологии.

Строение молекулы РНК.

РНК – полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. В клетке РНК находится в ядре, цитоплазме, митохондриях и пластидах. Цепочки РНК значительно короче ДНК.

Нуклеотиды РНК содержат:

1). Одно из четырех азотистых оснований: А, Г (-пуриновые), Ц, У (-пиримидиновые);

2). Пятиуглеродный сахар – рибозу;

3). Остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды РНК соединяется в цепочку так же как в ДНК ковалентными связями:

В клетке существуют несколько видов РНК, которые различаются по величине молекул, расположению в клетке и функциям.

Виды РНК:

Информационная(матричная) РНК(и-РНК) – переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам.
РибосомнаяРНК (р-РНК) – в комплексе с белками образуют рибосомы.
Транспортная РНК (т-РНК) – доставляет аминокислоты к рибосомам. Благодаря внутрицепочным водородным связям молекула т-РНК приобретает вторичную структуру называемую «клеверным листом». В молекуле т-РНК есть два активных центра. Один расположен на переднем конце молекулы (А). Это последовательность из трех нуклеотидов (антикодон). Он соответствует определенной аминокислоте. Другой активный центр находится на противоположном конце молекулы (Б) – «посадочная площадка», к нему прикрепляется АМК - та.

Отличия в строении ДНК и РНК:

В состав нуклеотида ДНК входит углевод дезоксирибоза, а в состав нуклеотида РНК – рибоза.
ДНК: в нуклеотид входит азотистое основание Т; РНК: Т заменяется на У.
Молекула ДНК двухцепочная, РНК – в основном одоцепочная.
Молекула РНК значительно короче ДНК.

2. Ген и генетический код.

Ген (греч. «генос» - рождения, образующий). Термин предложен в 1909 г. В Иогансеном взамен терминов «наследственный зачаток» и «наследственный фактор» применяемых Г. Менделем.

Ген – элементарная единица наследственности представленная отрезком молекулы ДНК, где содержится информация о первичной структуре одного белка или молекулы р-РНК и т-РНК.

С обоих концов гены ограничены специальными триплетами, которые служат «знаками препинания», обозначающими начало и конец информации.

Ген человека имеет кодирующую часть – экзон , некодирующую – интрон . Межгенные участки называются спейсерами . Молекула ДНК может содержать множество генов. По современным оценкам, у человека имеется окало 30 – 40 тысяч генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию. Известны гены:

структурные - гены, кодирующие белки;
гены, несущие информацию о р-РНК и т-РНК;
регуляторные (или функциональные) – включают и выключают другие гены (промоторы, терминаторы и др.);
гены модуляторы – усиливают или подавляют проявления других генов.

Генетический код – система записи наследственной информации о последовательности расположения нуклеотидов в ДНК и и-РНК.

Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв – нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А,Т,Г,Ц.

Основные свойства генетического кода:

Генетический код триплетен . Триплет – последовательность трех расположенных рядом нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту (Так например: АМК-те цистеину соответствует триплет – АЦА, валину – ЦАА и т.д.).

Поскольку в состав белков входит 20 аминокислот, то очевидно, что каждая из них не может кодироваться одним нуклеотидом (поскольку в ДНК всего четыре типа нуклеотидов, то в этом случае 16 аминокислот остаются незакодированными). Двух нуклеотидов для кодирования аминокислот также не хватает, поскольку в этом случае могут быть закодированы только 16 аминокислот (4 2 = 16). Значит наименьшее число нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту, оказывается равным трем. В этом случае число возможных триплетов нуклеотидов составляет 4 3 =64.

Избыточность означает что, одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (поскольку аминокислот 20, а триплетов – 64). Например: АМК-те аргиннину могут соответствовать триплеты ГЦА, ГЦТ, ГЦЦ и т.д. Исключение составляет метионин и триптофан, которые кодируются только одним триплетом. Кроме того, некоторые триплеты выполняют специфические функции. Так в молекуле и-РНК три из них УАА, УАГ, УГА – являются терминирующими кодонами, т.е. стоп-сигналами, прекращающими синтез полипептидной цепи. Триплет, соответствующий метионину (АУГ), стоящий в начале цепи ДНК, не кодирует аминокислоту, а выполняет функцию иницииования (возбуждения) считывания.
Однозначность означает, что каждому кодону соответствует только одна аминокислота.
Линейность генетического кода. Кодоны прочитываются последовательно в направлении закодированной записи от 5′ конца к 3′ концу.
Неперекрываемость генетического кода. Каждый нуклеотид входит лишь в какой-либо один триплет и переписывание информации происходит строго потриплетно. Например, в и-РНК следующая последовательность азотистых оснований АУГГУГЦЦЦААУГУГ будет считываться только такими триплетами: АУГ, ГУГ, ЦУУ, ААУ, ГУГ, а не АУГ, УГГ, ГГУ, ГУГ и т.д.
Компактность – внутри гена нет знаков препинания. Разберем это свойство на примере такой, составленной из триплетов, фразы: жил был кот тих был сер мил мне тот кот – смысл написанного понятен, несмотря на отсутствие знаков препинания, но если убрать в первом слове одну букву и читать так же тройками, то получиться бессмыслица. Также и происходит при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена.
Генетический код универсален, т.е. он един у всех живых организмов.

Таким образом, перемещаясь вдоль молекулы и-РНК и считывая по три нуклеотида можно расшифровать аминокислотную последовательность белковой молекулы:

А--- А---Т ---Г--- Ц---А--- Т--- Ц ---Г --- ДНК

У--- У---А--- Ц--- Г---У--- А ---Г--- Ц --- и-РНК

Лей арг сер --- белок.

3. Биосинтез белка.

Синтез белка состоит из двух этапов – транскрипции и трансляции.

I.Транскрипция (переписывание – от латинского слова transeriptio) – биосинтез молекул и-РНК, осуществляется в хромосомах на молекулах ДНК по принципу комплементарности.

Транскрипция происходит не на всей молекуле ДНК одновременно, а лишь на небольшом участке, отвечающем определенному гену – этим транскрипция отличается от редупликации, где задействована вся ДНК, поэтому дочерние молекулы полностью копируют материнскую.

При транскрипции часть двойной спирали ДНК раскручивается. Водородные связи между азотными основаниями на этом участке разрываются. На одной из цепей ДНК идет синтез и-РНК. Вдоль этой цепи движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды в растущую цепь и-РНК. При этом образуется предшественница и-РНК (про-и-РНК). Она намного длиннее зрелой и-РНК. Дело в том, что ген в ДНК имеет много инертных (не несущих информации) участков – интронов.

Поэтому после синтеза про-и-РНК интроны «вырезаются» с помощью ферментов, а экзоны – участки, содержащие информацию «сшиваются», этот процесс называется сплайсингом . Образуется зрелая и-РНК, несущая информацию о строении одной белковой молекулы. Совокупность процессов, которые приводят к превращению про-и-РНК в зрелую и-РНК называется процессингом .

На специальных генах синтезируются и два других типа РНК – т-РНК и р-РНК. Всего синтезируются 20 разновидностей т-РНК, т.к. в биосинтезе белка участвуют 20 аминокислот.

II.Трансляция (лат. Translatio – передача) – процесс синтеза белка из аминокислот на матрице и-РНК, осуществляемый рибосомой.

В цитоплазме одна молекула и-РНК может связываться одновременно с несколькими рибосомами. Комплекс из и-РНК и рибосом называется полисомой . Именно на полисомах происходит синтез белка.

Механизм : внутри рибосомы размещается два триплета и-РНК, образуя ФЦР (функциональный центр рибосомы). В ФЦР образуется два активных центра: А (аминокислотный) - центр узнавания аминокислоты и П (пептидный) - центр присоединения аминокислоты к пептидной цепочке (к белку).

К каждой т-РНК присоединяется активированная аминокислота. Активизацию аминокислот осуществляют специфичные ферменты аминоацил – т-РНК –синтетазы, т.е для каждой аминокислоты существует свой ферменты. Механизм активизации заключается в том, что ферменты одновременно взаимодействует с соответствующей аминокислотой и с АТФ, которая теряет при этом пирофосфат. Тройной комплекс из фермента, аминокислоты и АТФ называется активной (богатой энергией) аминокислотой, способной спонтанно образовать пептидную связь в молекуле полипептидов. Этот процесс активации – необходимый этап белкового синтеза, поскольку свободные аминокислоты не могут прямо присоединяться к полипептидной цепи.

Затем комплекс аминоацил-т-РНК (т-РНК в комплекс с активированной аминокислотой) с помощью антикодона взаимодействует со стартовым кодоном и-РНК – АУГ.

В активном центре А осуществляется, считывание антикодона т-РНК с кодоном и-РНК, в случае комплементарности возникает связь, которая служит сигналом для продвижения (скачка) рибосомы вдоль и-РНК на один триплет. В результате этого комплекс «кодон и-РНК и т-РНК с аминокислотой» перемещается в активный центр П, где происходит присоединение аминокислоты к пептидной цепочке (белковой молекуле). Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной аминокислоты оказывается рядом с аминогруппой другой аминокислоты. В результате между ними образуется пептидная связь. После чего т-РНК покидает рибосому.

Рибосома движется вдоль и-РНК пока не достигнет одного из трех стоп-кодонов – УАА, УАГ или УГА.

Полипептидная цепочка погружается в канал ЭПС и там приобретает вторичную, третичную или четвертичную структуру, которые далее либо включаются в метаболизм в той же клетке, либо выводятся из нее.

Скорость сборки одной молекулы белка, состоящего из 200-300 аминокислот, составляет 1-2 минуты.

Результатом участия белков в метаболизме является развитие признака или признаков организма.

Центральная догма молекулярной биологии:

ДНК и-РНК белок.

Приложение № 3

Задачи на биосинтез белка

1. Одна из цепочек молекулы ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов:

А Г Т А Ц Ц Г А Т А Ц Т Ц Г А Т ТТ А Ц Г ……

Какую последовательность нуклеотидов имеет вторая цепочка той же молекулы?

2. Какое строение будет иметь молекула РНК, если порядок нуклеотидов в цепочке соответствующего гена, на которой она синтезируется, имеет следующую последовательность:

Г Т Г Т А А Ц Г А Ц Ц Г А Т А Ц Т Г Т А?

3. Определите порядок следования друг за другом аминокислот в участке молекулы белка, если известно, что он кодируется такой последовательностью нуклеотидов ДНК:

Т Г А Т Г Ц Г Т ТТ А Т Г Ц Г Ц………

4. Большая из двух цепей белка инсулина (так называемая цепь В) начинается со следующих аминокислот: фенилаланин – валин – аспарагин – глутаминовая кислота – гистидин – лейцин. Напишите последовательность нуклеотидов участка молекулы ДНК, хранящего информацию об этом белке.

5. В молекуле ДНК на долю цитозиновых нуклеотидов приходится 18%. Определите процентное соотношение других нуклеотидов, входящих в молекулу ДНК.

(Ответ: Г – 18% А – 32%, Т – 32%)

6. Сколько содержится адениновых, тиминовых и гуаниновых нуклеотидов во фрагменте молекулы ДНК, если в нем обнаружено 950 цитозиновых нуклеотидов, составляющих 20% об общего количества нуклеотидов в этом фрагменте ДНК.

Репликация

Репарация

Процесс самоудвоения молекулы ДНК

Исправление нарушенийпоследовательности нуклеотидов в молекуле ДНК

Приложение № 3

Для того чтобы происходили процессы передачи будущим поколениям признаков и особенностей развития организмов, хромосомная вещество должно обладать способностью к точному удвоение и формирования огромного разнообразия генов, которые существуют в природе.

Материальный носитель наследственности.

В середине XX в. было доказано, что носителем генетической информации является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - органическое соединение, которое вместе с белком образует тело хромосомы.

ДНК имеет цепную молекулярное строение, что обеспечивает способность к удвоению и образования множества типов сочетаний ее элементарных единиц - нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотистого основания (О), углеводного компонента (дезоксирибозы - Д) и остатка фосфорной кислоты (Ф) (рис. 2.10).

Рис. 2.10.

В цепочке ДНК отдельные нуклеотиды соединены друг с другом через фосфорную кислоту крепким химической связью. Углеводный и фосфорный компоненты во всех нуклеотидов одинаковые, но основ есть четыре типа: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Для записи генетического кода их обозначают буквами А, Ц, Г и Т соответственно.

Молекула ДНК образована двумя такими цепочками, которые соединяются между собой слабыми водородными связями через основы. Основы пары подходят друг другу, как ключ и замок. Аденин всегда спаривается с тимином, а гуанин - с цитозином (рис. 2.11, 2.12). Благодаря комплементарной (дополняющие) строении эта двойная молекула способна точно воспроизводить себя, образуя идентичные двойные молекулы.

Рис. 2.11.

Перед удвоением ДНК слабые водородные связи между основаниями рвутся и две напивмолекулы расходятся, как застежка-молния. После этого на каждой из них достраивается новая комплементарная половинка, в результате чего образуются две новые молекулы ДНК, абсолютно идентичны начальной. Одна из них имеет старую "правую" сторону и новую "левую", а другая, наоборот, - старую "левую" и новую "правую" (рис. 2.13). Однако это лишь модель, а на самом деле процесс гораздо сложнее.

Поскольку основы в молекуле ДНК расположены линейно (одна за другой), то количество комбинаций их взаимного расположения практически не ограничено, хотя основ всего четыре. Например, если один ген содержит 500 оснований, то можно получить 4500 способов их расположения. Такая комбинативная свойство обеспечивает существование большого количества различных генов.

Рис. 2.12.

А - аденин, Т - тимин, Г - гуанин, Ц - цитозин,

Ф - остаток фосфорной кислоты, Д - дезоксирибоза

Рис. 2.13.

ДНК содержится в хромосомах вместе с белками (гистонов и негистоновых) и небольшим количеством РНК. В каждой хромосоме имеется только одна молекула ДНК. Во время деления клетки хромосомы значительно укорачиваются, утолщаются и их можно увидеть под микроскопом. Это происходит в результате многоуровневой спирализации молекулы ДНК (рис. 2.14).

Рис. 2.14.

Ген и его основная функция.

Современной генетике много известно о строении хромосом, структуру и функции ДНК, но она еще не может дать точное определение гена. Согласно распространенным современным представлениям, ген - это небольшой участок хромосомы, выполняет определенную биохимическую функцию и осуществляет специфическое влияние на структурные, физиологические и биохимические свойства организма. Биохимическая функция гена заключается в том, что он обусловливает синтез определенного фермента.

Ферменты - особые белки, которые в живых клетках играют роль биологических катализаторов. С помощью ферментов осуществляются все биохимические реакции обмена веществ и энергии в живых организмах. Гены содержат информацию о последовательности аминокислот в молекулах "первичных белков» - полипептидов, что является цепочками с аминокислот, количество которых варьирует от шести до нескольких десятков. С определенного количества соответствующих полипептидов с помощью особых ферментов синтетаз образуется молекула определенного белка. Кроме того, некоторые полипептиды в организме могут выполнять функции гормонов, биологически активных веществ, антибиотиков и т.

Генетический код.

В состав белка принадлежит 20 различных аминокислот, а типов оснований ДНК - всего четыре. Информация о последовательности оснований в молекуле ДНК превращается в последовательность аминокислот в молекуле белка благодаря кодированию одной аминокислоты тремя основаниями. Функциональную генетическую единицу из трех основ называют триплетом (кодоном), а зависимость порядка расположения аминокислот в молекулах полипептидов от порядка расположения триплетов оснований в молекуле ДНК - генетическим кодом (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Примечание. Генетический код ДНК содержит комплементарные основания и В заменен в нем на Т.

Терм - терминатор (стоп-кодон) основы: А - аденин, Г - гуанин, Т - тимин, Ц - цитозин, В - урацил; аминокислоты: Ала - аланин, Apr - аргинин, АСН - аспарагин, Асп - аспарагиновая кислота, Вал - валин, ГИС - гистидин, Гли - глицин, Глу - глютамин, Илей - изолейцин, Лей - лейцин, Лиз - лизин, Мет - метионин, О - пролин, Сэр - серин, Тир - тирозин, Тре - треонин, Три - триптофан, Фен - фенилаланин, Цис - цистеин.

61 код он определяет соответствующие аминокислоты, и все аминокислоты, за исключением триптофана и метионина, кодируются несколькими кодонами. Кодоны-синонимы обычно образуют группы, в которых две первые основы в кодоне являются общими, а третья варьирует.

Генетический код универсален, так как во всех живых организмов одни и те же аминокислоты кодируются одними и теми же триплетами. Конечно аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом (количество возможных триплетов 64, аминокислот - 20). Кроме того, код не перекрывается, то есть каждая основа может принадлежать только одному триплета.

Механизм синтеза белков (полипептидов) в клетке очень сложный. Он требует участия другого вида нуклеиновых кислот - рибонуклеиновой кислоты (РНК) и особых клеточных органелл - рибосом (рис. 2.15).

Рис. 2.15.

Современные молекулярно-генетические исследования показали, что строение гена и принцип считывания информации для синтеза белка у эукариот (организмов, клетки которых имеют настоящее ядро) отличаются от строения гена и принципа считывания информации у прокариот (одноклеточных организмов, лишенных настоящего ядра). Оказалось, что гены эукариот содержат как кодированные участки, несущие информацию для синтеза специфического белка, - экзоты, так и некодированные - интроны. Причем некодированных участков может быть в несколько раз больше, чем кодированных, а у человека со всей генетической ДНК только примерно 5 % составляют кодированные участка.

Имея такое строение один и тот же ген эукариот может нести информацию для кодирования не одного полипептида, как у прокариот, а в зависимости от специфики ткани, в которой они функционируют, большого количества различных полипептидов. Например, некоторые гены могут нести код для синтеза почти 40 тыс. Полипептидов. Это достигается путем изменения порядка считывания кодированных участков гена. У человека, по современным данным, 74% генов работают именно по такому принципу.

Гены в хромосомах. Хромосомная теория наследственности утверждает, что гены в хромосомах расположены линейно. Место в хромосоме, где расположен определенный ген, называют локусом этого гена. Определенный локус может занимать лишь одна из форм одного и того же гена - доминантный, рецессивный или другая. Такие разные положения гена называют аллелями. Для большинства генов известны только доминантный и рецессивный аллели, но часто случается т. Н. Множественный аллелизм, когда существует ряд положений определенного гена.

Простейшим примером множественного алелизму является наследование групп крови у человека по системе АВО. Каждый человек имеет одну из четырех групп крови, которые обусловлены взаимодействием трех множественных аллелей одного и того же гена - Iа, и в и / °. Аллели Iа и Ив являются доминантными, а / 0 - рецессивным. Сочетание пар аллелей определяют такие группы крови:

I, или 0 - 1 ° 1 °;

II или А - Iа Iа, Iа 1 °;

III или В - Ив Ив, Ин 1 °;

IV, или АВ - Iа Ин.

УIV группе крови доминирование аллеля не наблюдается, но отсутствует и промежуточный эффект. Кровь этой группы одновременно проявляет признаки II и III групп.

Аллели гена, расположенные в тождественных локусах гомологичных хромосом, могут быть одинаковыми - доминантными (АА) или рецессивными (аа). Такое сочетание пары аллелей одного гена называют гомозиготным. Если ген представлен двумя разными аллелями (Аа), его состояние будет гетерозиготным.

Несмотря на то, что ДНК (дезоксирибонуклеиновая к-та) была известна с 1869г. (Открыл Иоганн Фридрих Мишер) и наличие её в хромосомах было хорошо доказано, эту молекулу считали слишком простой для передачи наследственной информации. Лишь после открытия в 1953 г . физико-химической структуры ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком стало окончательно ясно, что передача наследственной информации осуществляется с помощью ДНК. Нуклеиновая кислота представляет собой гигантскую молекулу, длинную, закрученную в двойную спираль молекулу, построенную из многих повторяющихся единиц, называемых нуклеотидами.

Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания представлены двумя пуриновыми производными – аденином (А) и гуанином (Г), и тремя пиримидиновыми – цитозином (Ц), тимином (Т) и урацилом (У).

В состав ДНК входят А, Т, Г, Ц,; в РНК – А, Г, Ц. А тимин здесь заменён на урацил. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают 2 типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). В нуклеотидах к молекуле дезоксирибозы (или рибозы) с одной стороны присоединено азотистое основание, а с другой – остаток фосфорной кислоты. Согласно предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком модели, молекула ДНК представляет собой две параллельные полинуклеотидные цепи, закрученные в двойную спираль. Пространственная структура ДНК удерживается множеством водородных связей, которые возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Строение нуклеотидов таково, что они могут располагаться напротив друг друга только по строго определённому правилу: А напротив Т, Г напротив Ц- это принцип комплементарности оснований (составляют комплементарные пары: А=Т, Г=Ц) . В отличие от ДНК молекулы РНК, ка правило, однонитевые. Построены они аналогично нитям ДНК, только в сахарно-фосфатный остов их молекул входит не дезоксирибоза, а рибоза, и вместо тимина (Т) у них имеется урацил (У).

В зависимости от функций , все РНК могут быть разделены на несколько классов:

информационная (и-РНК), или матричная (м-РНК) около 5%;

транспортная (т-РНК) около 15%;

рибосомальная (р-РНК) около 80%.

Каждая молекула РНК выполняет свою специфическую функцию:

м-РНК переносят информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам, т.е. служат матрицей для синтеза белка;

т-РНК переносят аминокислоты в рибосомы;

р-РНК образуют в комплексе с белками рибосому, сложную органеллу, в которой происходит синтез белка.

Функции нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты выполняют важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация о всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

Элементарной единицей наследственности является ген.

Ген – это участок молекулы ДНК, характеризуемый специфической для него последовательностью нуклеотидов, и способный изменяться путём мутирования . Молекула ДНК может содержать множество генов. У человека имеется около 30-40 тыс. генов, каждый из которых выполняет специфическую функцию – кодирует определенный полипептид. Каждая исходная молекула ДНК даёт начало огромному числу новых молекул ДНК. Это происходит в процессе репликации, при которой информация, закодированная в родительской ДНК, передаётся с максимальной точностью дочерней ДНК. Репликация – единственно возможный способ увеличения числа молекул ДНК, с помощью фермента ДНК-полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя цепями ДНК, образуются одноцепочечные нити. Затем к каждой цепочке достраиваются по принципу комплементарности нуклеотиды (А-Т, Г-Ц), образуя две двухцепочечные молекулы ДНК. Процесс репликации нуклеиновых кислот целиком зависит от работы ряда ферментов: ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, эндонуклеазы и ДНК-лигазы. Кроме механизма, обеспечивающего сохранение генетической информации (репликация), и материальной единицы наследственности (ген), существует механизм реализации наследственной информации.

Генетическая информация реализуется через следующие этапы: Транскрипция («переписывание ) – перенос генетической информации от ДНК в РНК.

Транскрипция заключается в том, что на одной из нитей ДНК происходит матричный синтез нити м-РНК. Этот синтез осуществляется особым ферментом – РНК-полимеразой, который прикрепляется к началу участка ДНК, расплетает двойную спираль ДНК и, перемещаясь вдоль одной из нитей, последовательно строит рядом с ней комплементарную ей нить РНК. Синтезированная нить РНК содержит информацию, точно переписанную с соответствующего участка ДНК. В ядре и при выходе из него происходит процессинг – дозревание РНК (вырезание неинформативных участков), в результате чего РНК укорачивается. Далее молекулы РНК выходят из ядра в цитоплазму и соединяются с рибосомами, где происходит процесс трансляции. Трансляция (перевод) – процесс перевода РНК-текста (декодирования, в результате которого информация с языка м-РНК переводится на язык аминокислот). Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам. Рибосома образована двумя субъединицами – большой и малой, состоящими из р-РНК и белков. Аминокислоты, синтезированные клеткой, доставляются к месту сборки из них белка, т.е. рибосомы, посредством т-РНК. Каждой аминокислоте в м-РНК соответствует определенная тройка (триплет) нуклеотидов, называемая кодоном этой аминокислоты. В м-РНК существуют кодоны: инициирующие (АУГ), определяющие начало синтеза белка; терминирующие (стоп-кодон: УАГ, УАА, УГА), заканчивающие синтез белка. Сигналом к завершению трансляции служит один из трех стоп-кодонов. Генетическая информация, содержащаяся в ДНК и м-РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в молекулах. Перенос информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется с помощью генетического кода.

Генетический код – это система записи информации о последовательности расположения нуклеотидов в ДНК и и-РНК. Кодон – слово в ДНК-книге, т.е. генетический код является по своей природе триплетным.

Свойства генетического кода:

1. Код триплетен. Каждая аминокислота кодируется группой из трёх нуклеотидов (тирозин – УАУ)

2. Вырожденность (неоднозначность) генетического кода. Одна аминокислота может кодироваться не одним, а несколькими триплетами нуклеотидов (валин – ГУУ, ГУЦ, ГУА)

3. Однозначность генетического кода (специфичность) . Каждому кодону соответствует только одна аминокислота, т.е. триплет шифрует только одну аминокислоту (триптофан – УГГ)

4. Неперекрываемость генетического кода. Каждый нуклеотид входит лишь в какой-либо один триплет и переписывание информации происходит строго потриплетно.

5. Универсальность генетического кода. Генетическая информация для всех организмов, обладающих разным уровнем организации (от ромашки до человека), кодируется одинаково.

6. Линейность генетического кода . Кодоны прочитываются линейно (последовательно) в направлении закодированной записи.

Ген – участок молекулы ДНК, кодирующий либо последовательность аминокислот в белке, либо разные виды молекул РНК, участвующих в синтезе белка.

Локус – это место расположения гена в хромосоме.

Геном – это полное количество ДНК у данного вида, содержащееся в гаплоидном наборе хромосом.

Хроматин – комплекс ДНК со специальными белками.

Митоз – основной способ деления соматических клеток.

Центромера – первичная перетяжка хромосомы (определяет форму хромосомы).

Кариотип – совокупность хромосом(у человека составляет 46 хромосом).

Гомолочичные – 22 пары одинаковые. (хромосомы 23-й пары бывают двух видов: Х и Y).

Половые хромосомы – определяют пол 23-я пара, Норма ХХ - женская,ХY-мужская.

Существуют определённые правила обозначения кариотипа . Сначала указывают общее число хромосом, затем какие половые хромосомы входят в хромосомный набор. Далее перечисляется, какие отклонения от нормы встречаются у данного индивидуума (Так кариотип нормальной женщины будет записан как 46,ХХ; а кариотип нормального мужчины – 46, ХY). Если в клетках мужчины присутствует лишняя хромосома, например, 21-я, как это происходит при самой распространённой форме болезни Дауна, кариотип будет записан следующим образом: 46,ХY, +21.

Для возникновения новой жизни необходимо слияние двух родительских клеток – яйцеклетки и сперматозоида, называемых гаметами. Каждая из них несёт по одной из 23 парных хромосом_ такой набор называется гаплоидным. После слияния образуется зигота, содержащая уже полный (диплоидный) набор из 46 хромосом.

В женской гамете всегда присутствует только Х-хромосома, необходимая ребёнку любого пола. А сперматозоиды могут нести любую из половых хромосом, как Х, так и Y. Значит пол ребёнка будет зависеть от того, какой сперматозоид будет участвовать в образовании зиготы. А значит папы определяют, кто у них родится- сын или дочь.

Лекция 7 Основы биохимической генетики

Гибрид, получивший название биохимической, или молекулярной генетики, оказался необычайно продуктивным и дал больше информации, чем ее можно было получить из генетики и биохимии по отдельности (Роберт Вудс, 1982). Биохимическая генетика – это наука о наследственных закономерностях биохимических процессов, которые являются основой жизнедеятельности организма в норме и патологии; структуре, функции и синтезе нуклеиновых кислот, которые составляют материальную основу наследственности; биосинтезе и генетической регуляции биосинтеза белков; генетическом значении и роли изменений этих процессов в патологии. Первое указание на потенциальные возможности этой гибридной дисциплины было получено в 1909 г., когда Гаррод показал, что болезнь фенилкетонурия обусловлена нарушением метаболизма ароматических аминокислот фенилаланина и тирозина. Назвал он эту болезнь «врожденной ошибкой метаболизма». Это пример биохимической плейотропии, вызванной мутацией генов, ответственных за синтез ферментов. Неспособность генотипа вырабатывать эти ферменты приводит к тому, что поступающая с пищей аминокислота фенилаланин накапливается в плазме крови, а затем в мозге. Избыток ее определяет плейотропный эффект: у больных детей развивается умственная отсталость, потеря речи, отсутствие координации движений. В тканях накапливаются промежуточные продукты расщепления кетокислот (фенилацетат, фенилактат), которые являются токсинами для цнс. Это приводит к дибильности или идиотии. Эту болезнь устанавливают с помощью реактива Фелинга, который добавляют в пробирку со свежей мочой. Положительная реакция – наличие сине-зеленого окрашивания. Фенилкетонурия принадлежит к аутосомно-рецессивным заболеваниям. Больные были гомозиготными по рецессивному аллелю (а/а), тогда как у гетерозигот (А/а) и у доминантных гомозигот (А/А), признаков заболевания не наблюдалось. С помощью специальной диеты, получена возможность, предотвратить это заболевание.

В 1914 г. было показано, что у больных алкаптонурией отсутствует активность фермента – оксидазы гомогентизиновой кислоты, который превращает гомогентизиновую кислоту в малеилацетоуксусную кислоту. Проявляется болезнь в возрасте 40 лет и старше и характеризуется патологическими изменениями суставов конечностей, позвоночника, потемнением мочи, заболевание сердца и сосудов, атеросклерозом. Лечится большими дозами витамина С.

Тирозиноз – заболевание, обусловленное нарушениями в метаболизме аминокислоты тирозина. Накопление в организме избытка этой аминокислоты и ее метаболитов обусловливает задержку в развитии младенца, кретинизм, слабоумие, патологию почек и печени.

Альбинизм – болезнь, обусловленная отсутствием фермента тирозиназы, способствующего синтезу меланина из тирозина. При альбинизме меланин отсутствует в коже, волосах, радужке глаза, что приводит к светобоязни, ухудшению зрения, глухоте с немотой, эпилепсии, воспалению кожи при солнечном облучении. Альбинизм бывает местным и общим. Местный альбинизм никогда не поражает глаза, а только кожу и волосы – наследуется доминантно. Общий альбинизм наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Не лечится.

Порфирия – болезнь крупного рогатого скота, возникающая вследствие нарушения метаболизма с чрезмерным образованием красного пигмента – порфирина и накоплением его в крови, костях, зубах и других частях тела. Порфирин – это обязательный компонент гемоглобина. Чрезмерное накопление и выведение его – это последствие ферментной блокады метаболизма при образовании гема с предшественника – профобилиногена. У больных животных черно-коричневая моча и розовая окраска зубов. Животные очень чувствительны к солнечным лучам и как следствие ожоги и повреждения, а затем кожные рубцы (вокруг глаз, ноздрей, вдоль спины, участки лишены волос). Если животного не выпускать на солнце, то болезнь не проявится. Аномалия наблюдается у шортгорнского скота, голштинофризов – по аутосомно-рецессивному типу, у свиней – по доминантному типу наследования. У овец наблюдается разновидность порфирии при чрезмерном накоплении филлоэритрина. Проявляется болезнь в 5-7 недель у ягнят саутдаунских овец. Печень ягнят не синтезирует филлоэритрин, который образуется при расщеплении хлорофила и при действии солнечного облучения. На лицевой части черепа и ушах образуется экзема, а через 2-3 недели животные погибают. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Зоб – недостаток в организме животных йода в связи с наследственными нарушениями метаболизма. У коз зоб наследуется доминантно, у овец – по аутосомно-рецессивному типу, а у свиней – в форме микседемы (гипертиреоз). При этой болезни увеличивается количество мертворожденных телят с припухлостями на шее или в виде водянки плода.

Перечисленные болезни относят к ферментопатиям.

В 1950 г. стало ясно, что гены кодируют ферменты (Митчелл и Лейн).

Генетический код.

Кодом наследственности или гентическим кодом называется процесс перевода триплетной последовательности нуклеотидов молекулы ДНК в последовательность аминокислот в белковой молекуле. Одним из важнейших свойств генетического кода является его колинеарность – четкое соответствие между последовательностями кодонов нуклеиновых кислот и аминокислотами полипептидных цепей (таблица). Важное значение для раскрытия генетического кода имели исследования М.Ниренберга и Дж.Маттеи, а затем С.Очао с сотрудниками, начатые ими в 1961 г. в США.

Колинеарность генетического кода

Нуклеотиды ДНК
Кодоны мРНК
Антикодоны ТРНК
Аминокислоты в полипеп. цепи	Фенилаланин	Аспарагин

Свойства генетического кода

1. Генетический код универсален – един для всех организмов (вирусов, бактерий, растений, животных и человека).

2. Код триплетный. Месторасположение каждой аминокислоты кодируется сочетанием строго определенных трех нуклеотидов в мРНК, образующих один специфический кодон.

3. Код вырожденный. Одна аминокислота может кодироваться несколькими (от одного до шести) кодонами. Только две аминокислоты кодируются одним триплетом – метионин (АУГ) и триптофан (УГГ).

4. Код неперекрывающийся. Нуклеотидная последовательность считывается подряд в одном направлении – от 5" к 3", триплет за триплетом.

5. Кодон АУГ, находящийся в начале мРНК на конце 5", является инициатором синтеза полипептидной цепи. Если данный кодон находится в середине мРНК, то он кодирует аминокислоту метионин.

6. Кодоны УАГ («амбер»), УАА («охра») и УГА («опал») являются терминаторами (стоп-сигналами) синтеза. Когда считывание генетической информации в мРНК доходит до одного из этих кодонов, дальнейший синтез прекращается и полипептидная цепь отделяется от рибосомы.

В каждой клетке в молекулах ДНК закодирована вся генетическая информация, которая может быть реализована в онтогенезе через биосинтез в виде биохимических процессов, физиологических свойств и морфологических признаков.

Один из важнейших подходов к биохимической генетике – индукция, выделение и изучение мутантов (на примере дрожжей, бактерий). Выход мутантов можно увеличить с применением пенницилина, который препятствует синтезу клеточной стенки у бактерий и воздействует только на активно делящиеся клетки. Если клетки, выжившие после мутагенного воздействия, инкубировать в искусственной среде, прототрофы начнут расти и делиться. Подобные методы существуют и для одноклеточных и нитчатых грибов.

В изучении биохимической природы мутаций можно выделить три уровня:

а) проверка способности мутантов использовать известные или предполагаемые промежуточные продукты метаболического пути синтеза аргинина,

б) изучение накопления или выделения промежуточных продуктов биосинтетического пути в мутантных клетках,

в) точная идентификация нарушения метаболизма путем прямого исследования ферментов биосинтеза.

Например, мутанты, у которых нарушено использование глюкозы, обнаруживают следующим образом: после мутагенной обработки культуру высевают на индикаторную среду, содержащую лактозу, а также красители эозин и метиленовый синий (ЭМС). Колонии, которые могут расщеплять лактозу, окрашиваются красителями в красновато-зеленый цвет, а мутантные клетки не окрашиваются и образуют маленькие белые колонии. Соответствующие мутации можно отнести к одному гену (z) – структурному гену бетта-галактозидазы.

Применение цис-транс-теста к мутациям позволяет провести их генетико-биохимический анализ.

Закономерности цис-транс-теста.

1. Для отбора мутантов обычно используют у них способности выполнять какую-либо функцию – расти на искусственной среде, регулировать синтез какого-либо метаболита. Или (в случае фагов) расти на определенном штамме бактерии-хозяина. Эти признаки свидетельствуют, что данные мутации относятся к рецессивным.

2. Если два мутантных генома, утративших одну и ту же функцию поместить в общую цитоплазму, то конечный фенотип культуры будет мутантным.

3. Если в общую цитоплазму ввести два мутантных генома, у которых нарушены разные функции, то фенотип культуры будет диким.

Применение цис-транс-теста позволяет определить генетическую функциональную единицу, цистрон. Этот термин был предложен в 1957 г. Бензером. Как правило, термины «ген» и «цистрон» синонимичны, и их можно использовать как взаимозаменяемые.

Метод, позволяющий определить последовательность оснований во фрагментах ДНК, разработанный Максамом и Гилбертом в 1977 г. При работе этим методом ДНК расщепляют, удаляя из нее четыре разных основания. Для удаления оснований используют следующие реакции.

а. Реакция с диметилсульфатом в кислой среде. При этом происходит преимущественно удаление гуанина по сравнению с аденином.

б. Реакция с диметилсульфатом в присутствии NaCl. При этом удаляется преимущественно аденин.

в. Реакция с гидразином в присутствии пиперидина. При этом удаляются тимин и цитозин.

г. Реакция с гидразином и пиперидином в присутствии NaCl . В этом случае удаляется только цитозин.

Фрагмент ДНК метят по концам 32Р и обрабатывают в таких условиях, чтобы атаке подверглось только одно из ста оснований. В результате образуется ряд фрагментов, соответствующих скажем, расщеплению по каждому аденину. Полученные фрагменты разделяют по длине и, следовательно, по положению удаленных оснований с помощью гель-электрофореза. Одновременный электрофорез препаратов, полученных при четырех различных воздействиях, позволяет исследователю прочитать последовательность оснований ДНК. Этот метод дает возможность расшифровать последовательности длиной до 100 нуклеотидов; для расшифровки более длинных фрагментов необходимо разрезать исходный фрагмент фрагментами рестрикции, расшифровать образующиеся куски по отдельности и затем построить общую картину.

Общий состав генома любого организма можно изучать, исследуя кинетику реассоциации. При использовании этого метода ДНК нарезают на фрагменты длиной примерно 300 пар оснований и денатурируют нагреванием при 960 С. При понижении температуры комплементарные одноцепочечные фрагменты могут реассоциировать. Кинетику этого процесса прослеживают спектрофотометрически или путем выделения двухцепочечных молекул на гидроксиапатите. Скорость реассоциации зависит от степени повторяемости данной последовательности в образце. Исследования показали, что 30% генома составляют относительно простые последовательности. Остальные 70% генома состоят из уникальных последовательностей.

Гилберт предложил называть последовательности, которые входят в состав зрелой м РНК, экзонами, так как они экспрессируются, а те промежуточные последовательности, которые хотя и транскрибируются, но затем вырезаются из транскрипта до того, как он выходит из ядра, интронами.

Генетика пола

Детерминация пола и механизм его наследования

В ходе эволюции у большинства раздельнополых организмов сформировался механизм детерминации пола, обеспечивающий образование равного количества самцов и самок, что необходимо для нормального самовоспроизведения видов. Детерминация пола может происходить на разных этапах размножения. Различают три основных типа половой детерминации:

1) эпигамный, когда пол особи определяется в процессе онтогенеза. Детерминация пола в данном случае значительно зависит от внешней среды (самцы морского червя живут в матке самки, если личинка оседает на дно, то превращается в самку, а если проникнет в тело самки – в самца);

2) прогамный, когда пол будущего дочернего организма определяется в ходе гаметогенеза у родителей особи (коловратки, тля, кольчецы);

3) сингамный, при котором пол дочерней особи определяется в момент слияния гамет с образованием зиготы. Это наиболее распространенный тип детерминации пола, характерный для всех видов животных.

При прогамном и сингамном типах детерминации пол зависит от определенных половых хромосом.

У самок млекопитающих в диплоидном наборе хромосом выделяют последнюю пару одинаковых по форме половых хромосом, обозначаемых ХХ-хромосомами (гомогаметный пол). Самцы в кариотипе содержат Х- и Y –хромосомы (гетерогаметный пол – два типа гамет). Самцов обычно рождается на несколько процентов больше, чем самок, но в ходе эволюции повышена смертность самцов.

У птиц, пресмыкающихся и бабочек, наоборот, самки имеют гетерогаметный пол - ZW, а самцы – гомогаметный ZZ. У пчел половых хромосом нет, поэтому пол зависит от количества аутосом. В соматических клетках матки и рабочей пчелы содержится 32 аутосомы, а у трутня – 16 аутосом.

У дрозофилы возникновение пола зависит не только от присутствия половых хромосом, но и от соотношения аутосом. Это балансовая теория определения пола К.Бриджеса (1919). Все особи с балансом хромосом (или половым индексом) Х:А=1 – самки, Х:2А=0,5 – самцы. Баланс хромосом от1 до 0,5 определяет промежуточное развитие пола, то есть интерсексуальность. Соотношение 3Х:2А=1,5 ведет к развитию сверхсамок. Х+Y:3А=0,33 определяет развитие сверхсамцов. Гинандроморфы – насекомые у которых одни участки тела женские, а другие – мужские.

Организмы обладают бисексуальностью, то есть способностью при определенных условиях формировать женский или мужской пол. У крупного рогатого скота иногда рождаются двойни. В случае разнополых близнецов бычки развиваются нормально, а телочки в 95% случаев оказываются интерсексами (наружные гениталии женского типа, а внутренние органы – мужского). Таких животных называют фримартинами; они всегда бесплодны. Существует две теории образования фримартинов: гормональная и клеточная. Поскольку мужской гормон тестостерон начинает продуцироваться раньше, то длительное воздействие на женские половые органы приводит к недоразвитию последних. Присутствие Y-хромосомы в кариотипе телок-фримартинов и изменение у них признаков в сторону мужского пола – явное свидетельство ее влияния на половые признаки. Цитогенетический анализ является надежным методом ранней диагностики фримартинизма у телок.

У домашних животных существуют разные формы интерсексуальности, которые объединяются под названием гермафродитизм.

Кроме того, обнаружены отдельные формы, очень сходные с известными синдромами у человека – синдромами Клайнфельтера (ХХY) и Тернера (ХО). У крупного рогатого скота ХХY синдром наблюдали в сочетании с Х-трисомией. Характерными признаками животных были нарушения роста и развития, двухсторонняя гипоплазия семенников с олиго- и некроспермией и другими изменениями. Синдром Тернера характеризуется женским фенотипом с дисгезией гонад и другими генитальными дефектами. Цитологически - отсутствует вторая Х-хромосома. Образование гермафодитов – особей имеющих гонады и (или) половые органы противоположных полов, рассматриваются как результат нарушения мейоза в период развития бластоцисты. Животные с признаками гермафродитизма своевременно должны выделяться в группы откорма.

Диагностику пола интерсексов и гермафродитов впервые определил Барр М. в 1949 г. на основании обнаружения телец Барра или полового хроматина в ядре клеток. Это тельце встречается только в ядрах клеток самок. Количество телец Барра всегда на единицу меньше числа Х-хромосом. Так, если у самок обнаруживают два тельца Барра, то они являются носителями трисомии по Х-хромосоме. Если половой хроматин отсутствует, то у особи женского пола имеется только одна Х-хромосома. Если у самца обнаруживают тельце Барра, Это значит, что у него в кариотипе не одна, а две Х-хромосомы.

Наследственные аномалии животных, сцепленные с полом.

У сельскохозяйственных животных установлено несколько форм врожденных аномалий, обусловленных генами, локализованными в половых хромосомах. Как правило, они имеют рецессивный характер проявления, и при этом поражаются преимущественно особи гетерогаметного пола – у млекопитающих самцы, у птиц – самки. Сцепленные с полом летальные и сублетальные аномалии изменяют численное соотношение полов при рождении или после него вследствие гибели или браковки у млекопитающих самцов, у птиц – самок. Например, установлена такая аномалия, как врожденная деформация передних конечностей в сочетании с анкилозом суставов, изученная у животных черно-пестрой, сычевской и костромской пород, проявляется, как правило, у бычков, родственных между собой, что указывает на сцепленное с полом наследование. У собак обнаружено заболевание геофилией. Явление гемофилии заключается в утрате кровью нормальной способности к свертыванию. Симптомы гемофилии обычно проявляются впервые у щенят в возрасте от шести недель до трех месяцев. В число обычных симптомов входят: хромота (следствие кровоизлияний в суставы), сильная подкожная припухлость и в конечном итоге паралич одной или нескольких конечностей. Небольшие царапины могут оказаться для щенят-гемофиликов смертельными.

Передача через половые хромосомы признаков, сцепленных с Х- и Y-хромосомами, указывает на то, что на особь мужского пола большее влияние оказывает наследственность матери и ее предков, передавших Х-хромосому, которая является носителем генов для ряда признаков. Наследственность же отца, передавшего сыну Y-хромосому, генетически малоактивна.

Проблема регуляции пола у сельскохозяйственных животных

В молочном скотоводстве более желательным является рождение телочек, а в мясном – бычков. В яичном птицеводстве экономически выгодно получать больше курочек, а в мясном – петушков. С тонкорунных баранов настригают вдвое больше шерсти, чем с овец, оленьи панты можно получить только у самца. У тутового шелкопряда самцы дают на 25-30% больше шелка, чем самки, поэтому их преимущество очевидно. Регуляция соотношения полов у млекопитающих может быть достигнута такими путями:

1. Метод кислотно-щелочного анабиоза, который дает изменение соотношения Y:Х=20:80%. Этот метод основан на разной подвижности сперматозоидов. В кислой среде наиболее подвижны Х-спермии, а в щелочной -Y-спермии.

2. Метод разделения спермы на фракции путем электрофореза. Предполагают, что при этом спермии с разными половыми хромосомами отойдут к разным полюсам. При температуре в опыте 25оС на аноде накапливается спермы в соотношении Y:Х=75:25%, а на катоде –Y:Х=20:80%. При снижении температуры в опыте до 10оС результаты были обратными: на аноде накапливалось спермы в соотношении Y:Х=17:83%, а на катоде - Y:Х=83:17%.

3. Изменение pH женских половых путей. Обычно среда влагалища кислая. Однако при половом оргазме матка сокращается, и слизь из канала шейки матки, который имеет щелочную среду, поступает во влагалище и среда становится нейтральной. Если оргазм происходит у самки раньше, чем у самца, и спермии попали в нейтральную среду, то следует ожидать потомков мужского пола. Если оргазм у самца опережает оргазм самки, то спермии попадут во влагалище с кислой средой и следует ожидать потомство женского пола.

4. Центрифугирование спермы перед осеменением. Х-спермии будут на дне центрифужной пробирки, а Y–спермии – сверху.

5. Фракционирование спермиев по количеству ДНК и по их антигенному составу.

6. Учет возраста спариваемых особей. С возрастом родителей заметно снижается рождение самок (их было мало получено и от годовалых животных). При спаривании кур шестимесячного возраста выход самок был низким (27-33%), в потомстве же десятимесячных родителей он составил 47,5%, а двенадцатимесячных – 49,7%.

7. Метод программирования будущих детей относительно менструального цикла(Ф.Бенендо, 1970). Если спермии попадут в половые органы женщин за 4 дня (12-14 день после начала менструации) до овуляции (выхода зрелой яйцеклетки из яичника в матку), то в 84,7% случаев рождаются девочки, а если сразу после овуляции, то в 86,6% случаев рождаются мальчики.

Генетические методы раннего распознавания пола.

В птицеводстве используют сцепленную с полом окраску перьев для различения пола у суточных цыплят. Скрещивали золотистых петухов с серебристыми курами. Из яиц вылуплялись желтые цыплята – это курочки, другие зеленовато-белые – это петушки.

Используя явление сцепленного сполом наследования, Пеннет в Англии создал породу кур камбар. Петушки более светлой окраски, чем курочки (пятнистый рисунок). А.С.Серебровский изучил признак полосатости у кур и установил, что он детерминирован геном, локализованным в половой хромосоме. У петушков имелись темные пятна, у курочек – нет. Эти различия обуславливаются доминантным геном В, локализованным в половой хромосоме. Наследственный детерминизм в окраске был найден у гусей – один пол белый, другой серый. Существует метод распознавания цыплят по строению клоаки. У крупных малоплодных животных разработаны методы раннего определения пола, основанные на микрохирургическом получении клеток трофобласта у эмбриона или взятия амниотической жидкости с последующим цитогенетическим анализом состава половых хромосом.