Лекция (4 часа) Тема: Материальные основы наследственности. Генетика простых

Вид материалаЛекция

Содержание


Генетический код
Соответствие кодона той или иной аминокислоте составляет сущность генетического кода.
Изменение молекулы ДНК при мутациях.
Замена основания
Сдвиг рамки считывания.
Факторы, влияющие на изменение частот аллелей в популяции
Случайный дрейф генов –
Подстановка генов (полная замена одного аллеля на другой)
Факторы, влияющие на динамику изменения частот генотипов в популяции.
Моногибридное скрещивание и первый закон Менделя
Первый закон Менделя, закон расщепления
Дигибридное скрещивание и второй закон Менделя
Основные понятия
План выполнения лабораторной работы
Перечень наиболее употребительных генетических терминов
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Генетический код

Последовательность из трех азотистых оснований в молекуле ДНК или РНК называется триплетом или кодоном, и именно она определяет включение в полипептидную цепь одной конкретной аминокислоты.

Соответствие кодона той или иной аминокислоте составляет сущность генетического кода.

В состав белковых молекул входят 20 основных аминокислот. Всего 4 различных азотистых основания, входящие в молекулу ДНК или РНК, могут образовывать 64 триплета. Из них 3 триплета не кодируют аминокислоты и являются стоп-сиг­налами, прекращающими синтез полипептидной цепи на рибосомах. При этом, одну аминокислоту могут кодировать несколько различных триплетов. Данное явление называется выраженностью генетического кода.


Синтез белка. Реализация наследственной информации.

Наследственная информация закодирована в молекуле ДНК, в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, а реализация наследственной информации происходит в процессе биосинтеза (процесс синтеза белка в клетке).

Синтез молекулы мРНК по матрице ДНК называется процессом транскрипции. Молекула мРНК имеет одноцепочечную структуру. Механизм ее образования подобен тому, который используется при репликации (самокопировании) ДНК. После окончания транскрипции мРНК покидает ядро и выходит в цитоплазму клетки, перемещаясь к рибосомам --- «фабрикам» по производству белков. На рибосомах и осуществляется синтез белков.

Молекула белка представляет собой цепочку аминокислот. Ами­нокислотами называются органические (карбоновые) кислоты, содержащие, как правило, одну или две аминогруппы и кислотную группу.

Белки синтезируются с помощью (ферментов путем соединения аминокислот так называемой пептидной связью. В среднем белки содержат 100-1000 аминокислот, и от того, какова последовательность аминокислот в этих длинных цепях, зависит структура и функция данного белка. Любая аминокислота одинаково хорошо соединяется с любой. Благодаря этой способности аминокислот могут образовываться длиннейшие цепи.

Последовательность нуклеотидов в ДНК, а затем и в мРНК определяет, какой должна быть последовательность аминокислот, т.е. каким будет строение данного белка. Одна цепь ДНК содержит информацию о химическом строении значительного числа различных белков. Таким образом, последовательность оснований мРНК кодирует последовательность аминокислот.

Сведения о строении белков — это «зерно» информации, передаваемой потомкам из поколения в поколения; кодирование аминокислот нуклеотидами и называется кодированием наследственной информации.

«Сборка» молекулы белка из аминокислот обеспечивается весьма сложным механизмом, главным образом в рибосомах — особых органеллах клетки, находящихся в цитоплазме. Рибосомы примерно наполовину состоят из рибонуклеиновой кислоты.

Аминокислоты, необходимые для синтеза белка, находится в цитоплазме. Доставка аминокислот к рибосомам производится с помощью сравнительно небольших специальных молекул транспортной РНК (тРНК). Небольшими эти молекулы, состоящие примерно из сотни нуклеотидов, можно считать только по сравнению с матричной РНК, состоящей из тысяч нуклеотидов.

Для каждой из двадцати аминокислот имеется свой тип молекулы тРНК, которая обеспечивает доставку данной аминокислоты в рибосому. Синтез белка происходит при движении рибосомы вдоль цепочки мРНК. При этом молекулы тРНК, несущие аминокислоты, выстраиваются, согласно коду молекул мРНК, в цепочку, параллельную матричной РНК.

Белки выполняют в организме самые различные функции. В качестве ферментов они служат катализаторами химических реакций; в роли гормонов они, наряду с нервной системой, управляют работой различных органов, передавая химические сигналы. Белки используются в организме и как строительный материал (например, в мышечной ткани), и как транспортные средства (гемоглобин крови переносит кислород).

Изменение молекулы ДНК при мутациях.

Существует такой вид мутаций ДНК, как точковые мутации, т.е. мутации, вовлекающие отдельно взятые нуклеотиды. Точковые мутации представляют собой вставки или выпадения, а также изменения (разные типы замен одного азотистого основания на другое) пары нуклеотидов ДНК (или нуклеотида РНК). В результате мутирования возникают альтернативные формы генов (аллели) — ген становится полиморфным. Одни из этих мутаций являются вредоносными, т.е. вызывающими развитие наследуемых заболеваний, а другие — нейтральными, не вызывающими никаких существенных изменений в синтезируемых белках.

Точковые мутации можно разделить на два больших класса. К первому классу относятся те, которые связаны с заменой основания. Мутации второго класса обусловлены так называемым сдвигом рамки считывания.

Замена основания

Замена одного основания в цепи ДНК может привести к тому, что в синтезируемый белок будет встроена «неправильная» аминокислота. В результате функция белка может быть нарушена. Например, если первый кодон мРНК скопирован неправильно и вместо A UG в последовательности мРНК записана последовательность A GG, то вместо метионина будет синтезирован аргинин. Подобная замена единственной аминокислоты в цепочке сотен аминокислот, составляющих белок, может проявиться по-разному. Спектр этих проявлений — от нулевых до летальных — зависит от структуры и функции синтезируемого белка.

Сдвиг рамки считывания.

Мутации, которые приводят к выпадению или вставке одного и более нуклеотидов, вызывают так называемый сдвиг рамки считывания. В среднем они более вредоносны, чем мутации замены нуклеотида. Сдвигом рамки этот тип мутаций называется потому, что в результате выпадения (или случайного добавления) одного нуклеотида изменяется считывание (трансляция) кодонов в молекуле мРНК и, начиная с точки, соответствующей положению мутации, синтезируется искаженная последовательность аминокислот.

Особенность мутаций состоит в том, что их действие может быть различным в разных организмах и фенотипические проявления одной и той же мутации у разных особей могут быть очень разнообразными. Так, обладание мутантным аллелем у одной особи может фенотипически проявиться в форме тяжелого заболевания, а у другой — в форме легкой симптоматики или даже полною ее отсутствия.

Мутации — основной источник генетического полиморфизма, т.е. наличия в популяции нескольких аллелей одного локуса. Полиморфная природа ДНК позволила разработать системы методов генетического и психогенетического анализа, которые позволяют определить и картировать целый ряд генов, вовлеченных в формирование индивидуальных различий по исследуемым поведенческим признакам.

Популяционный уровень

Генетическая популяция - один из важнейших факторов, определяющих особенности передачи по наследству различных признаков.

Популяционная генетика исследует закономерности распределения генов и генотипов в популяциях.

В медицинской практике нередко появляется необходимость установить количественные соотношения людей с различными генотипами по какому-либо аллею, включающему патологический ген, или частоту встречаемости этого гена среди населения. Расчёты ведутся в соответствии с положениями закона Харди-Вайнберга. Этот закон разработан для популяций, отвечающих следующим условиям:

-свободное скрещивание, т.е. отсутствие специального подбора пар по каким-либо отдельным признакам;

-отсутствие оттока генов за счёт отбора или миграции особей за пределы данной популяции;

-отсутствие оттока генов за счёт отбора или миграции особей в данную популяцию извне;

-равная плодовитость гомозигот и гетерозигот. Такая популяция называется равновесной.

Закон Харди-Вайнберга применим к анализу крупных популяций, где нет тенденции подбора пар с соответствующими генотипами.

Первое положение закона Харди-Вайнберга гласит: сумма частот генов одного аллеля в данной популяции есть величина постоянная. Это записывается формулой. Частота определённых пар генов устанавливается естественным отбором в ряде предшествовавших поколений.

Второе положение закона Харди-Вайнберга: сумма частот генотипов по одному аллелю в данной популяции есть величина постоянная, а распределение их соответствует коэффициентам бинома Ньютона второй степени.

Закон Харди-Вайнберга включает ещё одно важное положение: в равновесной популяции частоты генов и частоты генотипов сохраняются в ряде поколений.

Анализ популяций с позиций основных положений закона Харди-Вайнберга позволяет наглядно представить весь механизм различных форм естественного отбора, а по изменениям частот генов в ряде последовательных поколений выяснить направление изменчивости конкретной популяции.

Факторы, влияющие на изменение частот аллелей в популяции

Миграция – процесс перемещения особей из одной популяции в другую и последующие скрещивание представителей этих двух популяций. Миграция обеспечивает «поток генов».

Случайный дрейф генов – изменение частот аллелий в ряду поколений, являющийся результатом действия случайных причин. Например резким сокращением размера популяций в результате войны или голода.

Естественный отбор – процесс дифференциального воспроизводства потомства генетически различными организмами в популяции.

Подстановка генов (полная замена одного аллеля на другой) – процесс в результате которого аллель мутант вытесняет исходно доминирующий аллель дикого типа.

Мутации — основной источник генетического полиморфизма, т.е. наличия в популяции нескольких аллелей одного локуса. Внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных фенотипических признаков организма.

Факторы, влияющие на динамику изменения частот генотипов в популяции.

Инбридинг – один из вариантов не случайного скрещивания, когда потомство производится особями, являющимися генетическими родственниками друг другу.

Мерой генетических последствий инбридинга служит коэффици­ент инбридинга, представляющий собой вероятность того, что у какой-либо особи в данном локусе окажутся два аллеля, идентичные по происхождению, т.е. точные копии аллеля, имевшегося в генотипе одного из прародителей этой особи в каком-то из предшествующих поколений. Коэффициент инбридинга обычно обозначается буквой F..

Ассортативность – процесс не случайного заключения брака, которое может изменять оценки наследуемости признака, влиять на его вариативность в популяции.


3. Прогресс современной генетики вплоть до открытия молекулярных основ наследственности обеспечила, в основ­ном, работа генетиков с качественными полиморфизмами, поскольку закономерности наследования этих признаков до­статочно просты и более доступны для генетического ана­лиза. В основе наследования качественных признаков лежат закономерности, впервые открытые Грегором Менделем.

Долгое время материальный субстрат наследственнос­ти представлялся гомогенным веществом. Считалось, что наследственное вещество родителей смешивается у потом­ства подобно двум взаиморастворимым жидкостям. В соот­ветствии с этой точкой зрения гибриды, то есть организмы, полученные в результате объединения наследственного ма­териала различающихся форм, должны представлять собой нечто промежуточное между родителями. И действительно, многие гибриды соответствуют таким представлениям. Г.Мендель первым показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются из поколения в поколение в виде неизменных дискретных еди­ниц. Наследственные единицы передаются через мужские и женские половые клетки — гаметы. У каждой особи наслед­ственные единицы встречаются парами, тогда как в гаметах находится лишь по одной единице из каждой пары.

Г.Мендель назвал единицы наследственности "элемен­тами". В 1900 году, когда законы Менделя'были открыты повторно и получили признание, единицы наследственности были названы "факторами". В 1909 году датский ученый В.Иогансен дал им другое имя — "гены", а в 1912 году аме­риканский генетик Т.Морган показал, что гены находятся в хромосомах.

Г.Мендель работал с различными сор­тами гороха. По сравнению с другими растениями горох обла­дает рядом преимуществ для проведения экспериментов по скрещиванию. Во-первых, сорта гороха четко различаются по ряду признаков (это означает, что Г.Мендель экспериментиро­вал с качественными признаками, полиморфизмами). Во-вто­рых, горох является самоопыляющимся растением, тем самым поддерживается чистота сорта, то есть сохранение признака из поколения в поколение. В-третьих, можно путем искусствен­ного опыления скрещивать растения и получать нужные гибри­ды. Гибриды также могут давать потомство, то есть являются плодовитыми, что, кстати, встречается не всегда. Иногда гиб­риды при отдаленном скрещивании бесплодны.

Г.Менделю удалось подобрать такие пары контрастиру­ющих признаков, которые, как это было установлено позже, обладают простым типом наследования. Г.Менделя интересо­вали такие признаки, как форма семян (гладкая или морщини­стая), окраска семян (желтая или зеленая), окраска цветков (белые или окрашенные) и некоторые другие.

Подобные опыты по гибридизации растений не раз про­водились и до Г.Менделя, но никто не смог получить таких всеобъемлющих данных, а главное, усмотреть в них законо­мерности наследственности.

Основным принципом исследования была поэтапность — все внимание сначала концентрировалось на одной переменной, что упрощало анализ, затем Г.Мендель присту­пал к анализу другой. Все методики строжайше соблюдались, чтобы не вносить искажения в результаты; полученные дан­ные тщательно регистрировались. Г.Мендель провел множе­ство экспериментов и получил достаточное количество данных для обеспечения статистической достоверности результатов. В выборе же экспериментального объекта Г.Менделю, действи­тельно, во многом повезло, поскольку на наследовании ото­бранных им признаков не сказывались некоторые более слож­ные закономерности, открытые позднее.

Моногибридное скрещивание и первый закон Менделя

Изучая результаты скрещивания растений с альтерна­тивными признаками (например, семена гладкие — семена мор­щинистые, цветки белые — цветки окрашенные), Г.Мендель об­наружил, что гибриды первого поколения (F1), полученные с помощью искусственного опыления, не являются промежуточ­ными между двумя родительскими формами, а в большинстве случаев соответствуют одной из них. Например, при скрещи­вании растений с окрашенными и белыми цветками все потом­ство первого поколения имело окрашенные цветки (таблица 3.1). Тот признак родителя, которым обладали растения пер­вого поколения, Г.Мендель назвал доминантным (от латинско­го dominans — господствующий). В приведенном примере до­минантным признаком будет наличие окраски у цветков.

От экспериментально полученных гибридов уже путем самоопыления Г.Мендель получил потомство второго поколе­ния (F2) и обнаружил, что эти потомки не являются одинако­выми: часть из них несет признак того родительского расте­ния, который не проявился у гибридов первого поколения. Та­ким образом, признак, отсутствовавший в поколении F1, вновь проявился в поколении F2. Г.Мендель сделал заключение, что этот признак присутствовал в поколении F1 в скрытом виде. Г.Мендель назвал его рецессивным (от латинского recessus — отступление, удаление).

Г.Мендель провел целую серию аналогичных опытов с разными парами альтернативных признаков и всякий раз тща­тельно подсчитывал соотношение растений с доминантными и рецессивными признаками. Во всех случаях анализ показал, что отношение доминантных признаков к рецессивным в поко­лении F2 составляло примерно 3:1.

В третьем поколении (F3), полученном также путем са­моопыления растений из поколения F2, оказалось, что те ра­стения из второго поколения, которые несли рецессивный при­знак, дали нерасщепляющееся потомство; растения с доми­нантным признаком частично оказались нерасщепляющимися (константными), а частично дали такое же расщепление, как и гибриды F1 (3 доминантных на 1 рецессивный).

Заслуга Г.Менделя в том, что он понял: такие соотно­шения признаков в потомстве могут быть только следствием существования обособленных и не изменяющихся единиц на­следственности, передаваемых с половыми клетками от по­коления к поколению. Г.Мендель ввел буквенные обозначе­ния для доминантного и рецессивного факторов, причем до­минантные обозначались большими буквами, а рецессив­ные— маленькими.

Выводы Менделя сводились к следующему:

1. Поскольку исходные сорта являются чистыми (не расщеп­ляются), это означает, что у сорта с доминантным призна­ком должно быть два доминантных фактора (АА), а у сор­та с рецессивным признаком — два рецессивных (аа).

2. Половые клетки содержат только один фактор (у доми­нантного — А, у рецессивного — а).

3. Растения первого поколения F1 содержат по одному фак­тору, полученному через половые клетки от каждого из родителей, то есть А и а (Аа).

4. В поколении F1 факторы не смешиваются, а остаются обособленными.

5. Один из факторов доминирует над другим.

6. Гибриды F1 образуют с равной частотой два рода половых клеток: одни из них содержат фактор А, другие— а.

7. При оплодотворении женская половая клетка типа А бу­дет иметь равные шансы соединиться как с мужской по­ловой клеткой, несущей фактор А, так и с мужской клет­кой, несущей фактор а. То же справедливо и для женских половых клеток типа а.

Первый закон Менделя, закон расщепления: при образовании гамет происходит разделение пары наслед­ственных родительских факторов, так что в каждую гамету попадает только один из них. Согласно этому закону, при­знаки данного организма детерминируются парами внутрен­них факторов.

Дигибридное скрещивание и второй закон Менделя

Установив закономерности расщепления при скрещива­ниях по одной паре альтернативных признаков, Г.Мендель пе­решел к изучению наследования двух пар таких признаков. Скрещивание особей, несущих две пары различающихся при­знаков (например, гладкие и одновременно желтые семена и морщинистые и одновременно зеленые семена) носит назва­ние дигибридного скрещивания.

Допустим, что одно родительское растение несет доми­нантные признаки (гладкие желтые семена), а другое — ре­цессивные признаки (морщинистые зеленые семена). Г.Мен­дель уже знал, какие признаки доминантны, и то, что в поко­лении F1 все растения имели гладкие желтые семена, не было удивительно. Г.Менделя интересовало расщепление призна­ков во втором поколении F2. Соотношение разных сочетаний признаков оказалось таким:

гладких желтых — 9, морщинистых желтых — 3, гладких зеленых — 3,

морщинистых зеленых — 1, то есть 9:3:3:1.

Таким образом, в поколении F2 появилось два новых со­четания признаков: морщинистые желтые и гладкие зеленые. На основании этого Г.Мендель сделал заключение, что на­следственные задатки родительских растений, которые объе­динились в поколении F1, в последующих поколениях разделя­ются и ведут себя независимо — каждый признак из одной пары может сочетаться с любым признаком из другой пары - второй закон Менделя, принцип независимого распределения.

Расщепление при дигибридном скрещивании также мож­но себе представить в виде таблицы, если доминантные фак­торы обозначить буквами А и В, а рецессивные — а и Ь. Тог­да родительские формы будут ААВВ и ааЬЬ, их гаметы — АВ и аЬ, а гибриды первого поколения F1 — АаВЬ. Соответ­ственно, у этих гибридов возможны четыре типа гамет (схема № 10). Решетки Пеннета позволяет свести к минимуму ошибки, которые могут воз­никнуть при составлении всех возможных сочетаний гамет.

Наиболее важное положение, следующее из второго за­кона Менделя, состоит в том, что наследственные факторы скрещиваемых сортов при образовании гамет могут образо­вывать новые сочетания, или рекомбинировать.

Значение открытий Менделя, к сожалению, не было оце­нено при его жизни. Вероятно, это объяснялось тем, что в то время еще не удалось определить структуры в гаметах, через которые осуществляется передача наследственных факторов от родителей к потомкам. Только к концу XIX века в связи с повышением разрешающей способности микроскопов стали вестись наблюдения за поведением клеточных структур во время оплодотворения и деления клеток, что привело к созда­нию хромосомной теории наследственности.


Лабораторное занятие № 1 (2часа)

Тема: Материальные основы наследственности. Генетика простых

качественных признаков


Цель: изучить основной теоретический материал по проблеме - материальные основы наследственности человека; с помощью графических методов (таблиц, схем) закрепить полученные знания по данной теме; получить навыки решения типовых задач по изучаемой теме.

Основные понятия: хромосомы, хромосомные аберрации, гены, аллели, митоз, мейоз, наследственность, наследование, наследуемость, кариотип, гомозиготность, гетерозиготность, генетический полиморфизм, генотип, фенотип, генетический код, мутации, плейотропия, фенокопия, генокопия, транскрипция, трансляция, пенетрантность, экспрессивность, популяции, изоляты, демы, миграции, отбор, дрейф генов, ассортативность, инбридинг, качественный полиморфизм.

План выполнения лабораторной работы


I Теоретическая часть:

Теоретически подготовиться к выполнению лабораторной работы, используя предложенную литературу и ознакомившись со следующими вопросами
  1. Основные понятия современной генетики: наследственность и изменчивость. Основные положения хромосомной теории наследственности.
  2. Уровни изучения:

2.1 Клеточный уровень теории наследственности.

Наследственный аппарат человека: хромосомы, гены, аллели. Типы клеточного деления: митоз и мейоз. Доминантность, рецессивность. Гетерозиготность, гомозиготность. Цитоплазматическая наследственность. Ядерная (хромосомная) наследственность. Изменчивость генов, основные виды изменчивости. Мутации. Общие закономерности действия генов. Понятия «пенетрантность» и «экспрессивность» генов.

2.2 Молекулярная организация наследственных структур.

Строение молекул ДНК, РНК. Генетический код. Синтез белка. Реализация наследственной информации. Изменение молекулы ДНК при мутациях.

2.3 Популяционный уровень.

Популяционная изменчивость. Популяции, изоляты, демы. Закон Харди-Вайнберга и факторы, меняющие частоты генов в популяции.
  1. Качественные признаки, характер изменчивости качественных признаков. Качественные полиморфизмы. Законы Менделя.



II Практическая часть:
  1. Заполнить таблицу наиболее употребительных генетических терминов (таблица 1, приложение 1);
  2. Зарисовать схемы клеточного деления (схема №1, схема №2);
  3. Заполнить таблицу «Различия между стадиями митоза и мейоза» (таблица 2, приложение 2);
  4. Провести сравнительный анализ процессов деления (в зарисованных схемах 1-2 выделить различия между мейозом и митозом);
  5. Зарисовать схемы строения нуклеиновых кислот (таблица 3, схема №3, рис.1, приложение 2.2);
  6. Заполнить таблицу «Строение нуклеиновых кислот» (таблица 3, приложение 2.2);
  7. Составить список 16 возможных попарных сочетаний из оснований А, Г, Т и Ц (таблица 5, приложение 2.2);
  8. Составить таблицу кодирования аминокислот основаниями (самостоятельно);
  9. Заполнить таблицу «Комплементарность между основаниями РНК и ДНК» (таблица 6, приложение 2.2);
  10. Изучить таблицу генетического кода по Дубинину (таблица 7, 8, приложение 2.2); решить задачи 2-5, 8-9, 11-13;
  11. Зарисовать схему главных этапов в процессе белкового синтеза, выписать основные структуры и процессы, участвующиев белковом синтезе, объяснить этот процесс (схема№ 4, схема № 5, см. приложение 2.2);
  12. Зарисовать схему трансляции мРНК (схема № 6) и транскрипции (схема № 7) объяснить эти процессы (см.приложение 2.2);
  13. Составить схему классификации мутаций (схема № 8) и выделить факторы, влияющие на возникновение мутаций;
  14. Охарактеризовать изменения молекулы ДНК при мутациях (приложение 2.2);
  15. Выписать общие закономерности действия генов (схема 12, приложение (2.1);
  16. Зарисовать структуру генотипа, понимаемого в широком смысле (т.е. сумма всех генов организма, наследственная конституция организма, совокупность всех наследственных задатков данной клетки или организма, т.е. набор генов, состоящих из молекул ДНК и организованные в хромосомный ряд) (приложение 1 и 2.1);
  17. Составить таблицу факторов, влияющих на изменение частот аллелей в популяции (таблица 9, приложение 2.3);
  18. Составить таблицу факторов, влияющих на динамику изменения частот генотипов в популяции (таблица 10, приложение 2.3, схема 11);
  19. Схематически изобразить ди- и моногибридное скрещивания (схема 10, приложение 3);
  20. С помощью решетки Пеннета изучить третий закон Менделя (схема №9);
  21. Решить остальные задачи по изучаемой теме.



Таблица 1


Перечень наиболее употребительных генетических терминов





Термин


Объяснение


Пример



Ген


Аллели


Локус

Гомозигота


Гетерозигота


Фенотип


Генотип


Доминантный


Рецессивный


Поколение F1

Поколение F2


Хромосомы


Митоз


Мейоз







Ген, определяющий признак


А или а


АА или аа


Аа


АА, Аа, аа


А


а