Лекция: введение в генетику. ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ. История генетики. Программа Геном человека
 Скачать 5.38 Mb.
|
Лекция №1 На тему «История генетики. Программа «Геном человека» -Цитологические основы наследственности. Кариотип человека.Преподаватель:Шульгин Е.И.Генетика (от греч. γενητως — порождающий, происходящий от кого-то) — наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Медицинская генетика — область медицины, наука, которая изучает явления наследственности и изменчивости в различных популяциях людей, особенности проявления и развития нормальных и патологических признаков... Наследственность — это свойство живых систем со¬хранять из поколения в поколение сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях среды. Изменчивость — это свойство живых систем приобре¬тать новые признаки, отличающие их от родительских форм (строение и функции систем органов и особенности индивидуального развития). НаследственностьНаследственностьИзменчивость Указывает на индивидуальные отличия внутри вида Обеспечивает передачу этих признаков из поколения в поколение Многообразие видов и их приспособленность к условиям ОС История развития генетики1900-1910 гг. 1911-1953 гг. 1953 г. по настоящее время Грегор Иоганн Мендель (1822 – 1884гг.)Австрийский естествоиспытатель, монах, основоположник учения о наследственности; 1865 г. «Опыты над растительными гибридами»; Создал научные принципы описания и исследования гибридов и их потомства; Разработал и применил алгебраическую систему символов и обозначений признаков; Сформулировал основные законы наследования признаков в ряду поколений, позволяющие делать предсказания. 1 период Гуго Де Фриз (1848 – 1935) - голландский ученый Эрих Чермак (1871 -1962) – австрийский ученый Карл Эрих Корренс (1864 – 1933) – немецкий ученый Независимо друг от друга переоткрыли законы Г.Менделя 1900 год – год рождения науки генетикиГ. де Фриз предложил мутационную теорию, которая объясняла наследственную изменчивость В. Иогансен (1903 г)Взяв за основу труды Менделя, создал теорию популяции и теорию «чистых линий». Ввел в генетику термины: «ген», «генотип», «фенотип» У. Бэтсон (1906)Ввел в науку термин: «генетика» 2 периодТ. Морган создал хромосомную теорию наследственности А. Серебровский и Н. Дубинин создали генную теорию, доказали дискретность гена 3 периодДж. Уотсон и Ф. Крик Открыли структуру ДНК в 1953г. История генетики в датах1935г - экспериментальное определение размеров гена 1953 – структурная модель ДНК 1961 – расшифровка генетического кода 1962 – первое клонирование лягушки 1969 – химическим путем синтезирован первый ген 1972 – рождение генной инженерии 1977 – расшифрован геном бактериофага Х 174, секвенирован первый ген человека 1980 – получена первая трансгенная мышь 1988 – создан проект «Геном человека» 1995 – становление геномики как раздела генетики, секвенирован геном бактерии 1997 – клонировали овцу Долли 1999 – клонировали мышь и корову Международный проект «Геном человека»В 1990 году правительство США запустило проект «Геном человека». Цель этого проекта, рассчитанного на 15 лет, состояла в определении полной структуры генома человека. Ожидалось, что, исследователи определят все функции генов и разработают методы биологического и медицинского применения полученных данных. • Первый «черновой» вариант последовательности, опубликованный в начале 2001 года, был далек от совершенства. В нем отсутствовало около 30% последовательности генома в целом. Поэтому дальнейшая и не менее кропотливая работа была абсолютно необходима. Программа «Геном человека» не прекратила свое существование. Она лишь изменила ориентацию: от структурной геномики осуществляется переход к геномике функциональной, предназначенной установить, как управляются и работают гены. Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНКНуклеиновые кислоты Открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером (1844-1895) –обнаружил в гное из остатков клеток вещество в состав которого входили азот и фосфор - НУКЛЕИН Нуклеиновые кислоты ( небелковая часть нуклеина) – высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной ( генетической информации) в живых организмах. Существует два типа нуклеиновых кислотДезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в состав которой входит углевод -дезоксирибоза Рибонуклеиновая кислота (РНК), в состав которой входит углевод - рибоза. СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Химическая структура нуклеиновых кислот. Первичная структура. Под первичной структурой подразумевается последовательность расположения мономерных звеньев в линейных полимерах. Для нуклеиновых кислот, т. е. ДНК и РНК, такими мономерами являются нуклеотиды. Общая структура нуклеотида Нуклеотиды состоят из остатков гетероциклического основания, пентозы и фосфата. Исходными основаниями, производные которых входят в природные нуклеотиды, являются пурин и пиримидин В состав природной ДНК входят 4 азотистых основания; 2 из них, аденин и гуанин, являются производными пурина, а 2 других цитозин и тимин – пиримидина. Пурин Пиримидин Структуры соединений Структура пурина и пиримидина (азотистые основания) Тимин Цитозин Структура азотистых оснований, входящих в состав ДНК. Общая структура нуклеотида 50 е годы XX - века А. Тодд установил точную структуру связей, соединяющих нуклеотиды одной цепи – фосфодиэфирные связи - Структура 3'-, 5'-фосфодиэфирных связей в ДНК. История открытия Рентгенограмма волокон ДНК кишечной палочки, полученная Уилкинсом. 1950г. М.Уилкинс-т английский биофизик, удостоенный в 1962 Нобелевской премии по физиологии и медицине (совместно с Дж.Уотсоном и Ф.Криком) за открытия в области молекулярной генетики получил рентгенограмму кристаллических волокон ДНК История открытия ДНК Розалин Франклин на менее упорядоченных агрегатах, которые образуются при более повышенной влажности Увидела четкий крестообразный рисунок – опознавательный знак двойной спирали. Стало известно, что нуклеотиды располагаются на расстоянии 0,34 нм. Один виток – 10 нуклеотидов. Нуклеотидный состав – как цепи удерживаются вместе? Впервые количественно проанализировал нуклеотидный состав американский биохимик Эдвин Чаргафф (1951). Правило Чаргаффа – число пуриновых оснований в ДНК всегда равно числу пиримидиновых, количество А равно количеству Т, с Г – количеству Ц Строение молекулы 1953г Американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик представили модель строения молекулы ДНК Структура ДНК Сахаро – фосфатный остов находится на периферии молекулы ДНК. Пуриновые и пиримидиновые основания в центре. Между ними образуются водородные связи Структура ДНК Пурин в одной цепи связан с пиримидином в другой цепи Аденин может спариваться только с Тимином,а гуанин с цитозином Структура ДНК А - Т (две водородные связи Г-Ц (три водородные связи А - Т (две водородные связи Г-Ц (три водородные связи Две спирали удерживаются вместе водородными связями между азотистыми основаниями по принципы комплементарности (от лат. сomplementum- «дополнение»)Типы нуклеотидов: Адениловый (А),Гуаниловый (Г),Тимидиловый (Т),Цитидиловый (Ц)Каждая из пар оснований обладает симметрией, позволяющей ей включаться в двойную спираль в двух ориентациях А=Т и Т=А. Т.о, в каждой из цепей ДНК основания могут чередоваться всеми существующими способами Противолежащие последовательности и соответствующие полинуклеотидные цепи называют комплиментарными Полная структура нуклеотида (мономера нуклеиновых кислот) включает нуклеозидную группу (т.е. гетероциклическое основание и пентозу, в данном случае — рибозу) и остаток фосфата. Образование полинуклеотидной цепи, как ДНК, так и РНК, происходит за счет 3'-, 5'-фосфодиэфирных связей Сахарные (пентозные) остатки в молекулах нуклеотидов присутствуют в циклической (фуранозной) (3-О-форме; 2-дезоксирибоза -в ДНК и рибоза - в РНК В состав РНК входят основания аденин, гуанин, цитозин и урацил и в качестве углеводного (пентозного) компонента — рибоза (1-р-В-ри-бофураноза) Структура пентозного компонента ДНК — дезоксирибозы (дезоксирибофуранозы). Урацил Рибоза Структура компонентов РНК — урацила и рибозы Основные итоги по строению ДНК Число полинуклеотидных цепей = 2 Цепи образуют спирали по 10 пар оснований в каждом витке Цепи закручены одна вокруг другой и вместе вокруг общей оси, формируя двойную спираль Фосфатные группировки находятся снаружи спирали, а основания внутри с интервалом 0,34 нм; Цепи удерживаются вместе водородными связями ДНК РНК находится в ядре, Третичная структура. Под третичной структурой подразумевается общая форма молекул биополимеров. На этом уровне структура как белков, так и нуклеиновых кислот не имеет определенных типов с жестко заданными параметрами. Так, для ДНК в качестве варианта третичной можно рассматривать сверхспиральную структуру, когда замкнутая двойная спираль образует не кольцо, а структуру с витками более высокого порядка. Такие структуры характеризуются (в качестве главного параметра) количеством супервитков; как правило, большинство природных ДНК сверхспирализованы. Третичная структура ДНКНуклеосома — это структурная часть хромосомы, образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками H2А, H2B, H3 и H4. Последовательность нуклеосом, соединенная гистоновым белком H1 Хроматин — нуклеопротеид, составляющий основу хромосом. Состоит из ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация Хромосомы— нуклеопротеидные структуры клетки, в которых сосредоточена большая часть наследственной информации и которые предназначены для её хранения, реализации и передачи. Хромосомы чётко различимы в световом микроскопе только в период митоза или мейоза. Набор всех хромосом клетки, называемый кариотипом. Функции ДНКХранение генетической информации Передача генетической информации от родителей потомству Реализация генетической информации в процессе жизнедеятельности клетки и организма Строение РНКРНК – биополимер, мономером которого являются нуклеотиды РНК – одиночная полинуклеотидная последовательность. РНК вирусов может быть одно – и дву - цепочечной Каждый нуклеотид состоит из: Азотистого основания А, Г, Ц, У ( урацил ) Моносахарида – рибозы Остатка фосфорной кислоты Типы нуклеотидов РНК: Адениловый, Гуаниловый, Цитидиловый, Уридиловый Основные свойства РНК РНК – это полинуклеотиды, но состоят только из одной цепи, их мол.масса меньше, чем у ДНК. количество РНК в клетке зависит от возраста, физиологического состояния, органной принадлежности клетки; для РНК не характерны правила Чаргаффа; все РНК синтезируются на ДНК, этот процесс называется транскрипцией. Виды РНК.Транспортная РНК(т-РНК). Молекулы т-РНК самые короткие. Транспортная РНК в основном содержится в цитоплазме клетки. Функция состоит в переносе аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка. Из общего содержания РНК клетки на долю т-РНК приходится около 15%. Рибосомная РНК (р-РНК). Это самые крупные РНК. Рибосомная РНК составляет существенную часть структуры рибосомы. Из общего содержания РНК в клетке на долю р-РНК приходится около 90%. Информационная РНК (и-РНК), или матричная (м-РНК). Содержится в ядре и цитоплазме. Функция ее состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. На долю и-РНК приходится примерно 0,5—1% от общего содержания РНК клетки. ДНК РНК находится в ядре, Хромосомный уровень организации наследственного материала. Генетическая инфор¬мация, которую передает одно поколение клеток или организмов другому, заключена преимущественно в ядре клеток. Эукариотические клетки содержат оболочку, цитоплазму с органоидами и оформленное ядро. Основные функции ядра: 1) Хранение и передача генетической информации. 2) Регуляция процессов жизнедеятельности клетки. Характеристика, строение и классификация хромосом. По химическому строению хромосомы представляют собой дезоксирибонуклеопротеид (ДНП). В состав одной хромосомы входит одна молекула ДНК. В различные периоды жизненного цикла клетки хромосомы имеют разную морфофункциональную организацию. Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей ДНП - хроматид, соединенных друг с другом в области первичной перетяжки (центромеры). Центромера делит тело хромосомы на два плеча. В зависимости от расположения центромеры различают следующие тип хромосом: • Акроцентрические - центромера смещена к одному концу хромосомы и одно плечо очень короткое (палочковидные) • Субметацентрические - неравноплечие • Метацентрические – равноплечие Правила хромосом. • Правила постоянства числа • Правила парности хромосом • Правила индивидуальности хромосом • Правило непрерывности хромосом Классификация1. Хромосомы подразделяются на аутосомы – не половые(одинаковые у обоих полов) и гетерохромосомы, или половые хромосомы (разный набор у мужских и женских особей). 2. В соматических клетках организмов содержится диплоидный - 2п (двойной) набор хромосом, а в гаметах - гаплоидный - n(одинарный). Основная функция хромосом: • Хранение генетической информации, • Воспроизведение генетической информации • Ппередача генетической информации при размножении клеток и организмов. Хромосомы клеток могут находиться в двух структурно -функциональных состояниях: В рабочем (активном) - частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и репликации (интерфазные хромосомы, находящиеся в деспирализованном состоянии - хроматин). Основная биологическая роль интерфазных хромосом – передач генетической информации. В состоянии метаболического покоя (в неактивном) - максимальной их конденсированности. Когда они выполняют функции распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки. Основная биологическая роль хромосом при делении - равномерное распределение их между дочерними клетками. Хроматин клеточного ядра подразделяется на два основных типа: эухроматин и гетерохроматин. Эухроматин (от греч. ей- полностью и chroma- цвет) это большая часть хроматина находящаяся в деконденсированном состоянии, на разных его участках идут процессы транскрипции – это активный хроматин. В метафазных хромосомах виден в виде светлых полос. Гетерохроматин - это конденсированный хроматин (неактивный),определяется в метафазных хромосомах при дифференциальном окрашивании в виде темных полос различных размеров, состоящих из конденсированной плотно упакованной молекулы ДНК. Транскрипции с данных участков не происходит. Эти гены неактивны. Геномный уровень.Гено́м — совокупность наследственного материала, заключённого в клетке организма. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для построения и поддержания организма. Большинство геномов, в том числе геном человека и геномы всех остальных клеточных форм жизни, построены из ДНК, однако некоторые вирусы имеют геномы из РНК[ Совокупность хромосом (число, форма, размер) соматической клетки, характеризующая организм данного вида, называется кариотипом. Идиограмма - это систематизированный кариотип, в котором хромосомы располагаются по мере убывания их величины. При описании кариотипа используются обозначения: Р - короткое плечо g - длинное плечо • Сначала указывается общее число хромосом и набор половых хромосом, • отмечается, какая хромосома лишняя или какой не хватает. • Указывается номерхромосомы и обозначается плечо, в котором произошли изменения, • Посленаписания символа плеча указывается номер сегмента. 1. 46,ху - нормальный кариотип мужчины 2. 46,хх - нормальный кариотип женщины 3. 47,хх +21; - кариотип женщины с лишней хромосомой в 21 паре (трисомия по 21паре хромосом в женском кариотипе) 4. 45,ху-5; -кариотип мужчины, в котором не хватает одной хромосомы в 5 паре (моносомия по 5 паре хоромосом в мужском кариотипе) 5. 46, xy,del(5p); - делеция короткого плеча 5 хромосомы в мужском кариотипе (выпадение участка хромосомы). 6. 46,xx,inv(4g); -инверсия длинного плеча 4 хромосомы в женском кариотипе (поворот участка хромосомы на 180о). Цитогенетический анализ хромосом позволяет диагностировать ряд наследственных заболеваний, связанных с нарушением числа и формы хромосом. |