Биология. Общая биология
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
Классификация мутагенов 1. Физические мутагены – это ионизирующие излучения, космические и ультрафиолетовые лучи, ультразвук, температура. 2. Химические мутагены – это газовый состав среды, соли тяжелых металлов, гетероциклические соединения и др. 3. Биологические внутренние мутагены – это некоторые биологически активные вещества и внешние мутагены – это вирусы, токсины микроорганизмов и грибов. Известно, что мутационный процесс происходит в разных направлениях и подчиняется определённой закономерности, обнару-женной в 1920 г. Н.И. Вавиловым. Он сравнивал признаки различных сортов культурных растений и близких к ним дикорастущих видов и, обнаружив много общих наследственных изменений, сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Этот закон гласит, что «виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой последовательностью, что зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов.» Так, у злаков есть остистые и безостные формы пшеницы, ржи и три окраски колоса (белая, красная, чёрная) у пшеницы, овса и ячменя. Н.И. Вавилов указал, что гомологичные ряды часто выходят за пределы родов и даже семейств. Закон Н.И. Вавилова позволяет предвидеть появление мутаций ещё не известных науке, которые могут быть использованы в селекции для создания новых ценных для человека форм. Закон Н.И. Вавилова имеет прямое отношение к изучению наследственных болезней человека. Многие наследственные болезни людей встречаются и у животных. Например, гемофилия встречается у собак, лошадей, свиней; мышечная дистрофия – у крыс, мышей, лошадей; эпилепсия – крыс, кроликов, мышей; глухота – морских свинок, собак и др. Поэтому, животные могут служить моделями для изучения вопросов диагностики, профилактики и лечения многих наследственных болезней человека. 39 ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ГЕНЕТИКУ ЗАКОНЫ Г. МЕНДЕЛЯ Генетика – это наука о закономерностях наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими. Термин «генетика» (от греческого "genesis" – относящийся к происхождению) предложил в 1906 году У. Бэтсон. В основу генетики легли закономерности наследственности, установленные Г. Менделем в 1865 г. и мутационная теория Х. Де Фриза, сформулированная им в 1901-1903 гг. Объектами генетики являются все живые организмы. В зависимости от объекта исследований выделяют генетику растений, генетику животных, генетику микроорганизмов и генетику человеку. Предметом генетики являются два свойства живых организмов – наследственность и изменчивость. Основные методы генетики 1. Гибридологический метод – это метод, который заключается в анализе и учете исследуемых признаков у гибридов и их потомства. Особенностями этого метода являются подбор родительских пар с альтернативными признаками, точный количественный учет потомков от каждой родительской пары по каждому признаку отдельно и анализ потомков каждого гибрида в ряду поколений. 2. Комбинационный метод – это метод, который изучает результаты внутри- и межвидовой гибридизации, виды комбинативной изменчивости, ее значение для селекции и видообразования. 3. Мутационный метод – это метод, который заключается в изучении роли внешней среды и ее различных факторов в наследственной изменчивости. Вспомогательные методы генетики 1. Популяционно-статистический метод – это метод, который позволяет изучать распространение отдельных генов и различных генотипов в популяциях; 2. Метод селективных сред – данный метод применяется в генетике микроорганизмов и позволяет изучать наличие и экспрессию генов; 3. Цитологический метод – это метод, который позволяет изучать строение хромосом и их роль во внутриклеточных процессах; 4. Цитогенетический метод – это метод микроскопического исследования хромосом; 5. Метод молекулярного анализа – это метод, который позволяет изучить тонкую структуру генов, их виды расположение в хромосомах, механизмы их проявления; 40 6. Онтогенетический метод – это метод, который изучает особенности реализации генов в различные периоды онтогенеза; 7. Биохимический метод – это метод, который изучает проявление действия генов на уровне функционирования ферментов и протекания процессов обмена веществ в клетках и тканях. С помощью различных методов генетики изучают наследственность и изменчивость на разных уровнях организации наследственного материала: молекулярном, субклеточном, клеточном, организменном, популяционно- видовом. Одновременно в генетике используются методы смежных биологических дисциплин. В зависимости от используемых методов различают: цитологическую генетику, биохимическую генетику, молекулярную генетику, экологическую генетику и т.д. Медицинская генетика – раздел антропогенетики, изучающий наследственные болезни человека. Наследственные болезни – это болезни, причиной которых являются нарушения генотипа. Наследственные болезни необходимо отличать от врожденных болезней – болезней, проявляющихся с момента рождения человека. Для таких заболеваний наследственный генез не является обязательными и они могут развиться во время эмбриогенеза. Среди них часто встречаются фенокопии наследственных заболеваний. Наследственные болезни делятся на генные болезни и хромосомные. Генные болезни – это заболевания, причиной которых являются генные («точковые») мутации. Эти болезни можно выявить и прогнозировать генеалогическим и биохимическим методами. Мутантные гены передаются из поколения в поколение, в соответствии с типом наследования. Известно более 2 тысяч генных болезней. Хромосомные болезни – это заболевания, причиной которых являются хромосомные или геномные мутации. Генные (молекулярные) болезни встречаются чаще, чем хромосомные. У человека, по данным разных авторов, от 30 тыс. до 500 тыс. генов. Любая мутация гена – это изменение структурного белка или фермента, которая приводит к нарушению обмена веществ и фенотипическому проявлению болезни. Частота возникновения мутаций у человека 10 –4 – 10 –6 Доминантные гены со 100% пенетрантностью выявляются в первом поколении. Рецессивные патологические гены проявляются только в гомозиготном состоянии и заболевание может возникать через несколько поколений. Для рецессивных генов возможно проявление в каждом поколении, если они находятся в Х-хромосоме у мужчины. Современные задачи генетики 1. Изучение молекулярных структур клетки, хранящих генетическую информацию и способы ее кодирования. 41 2. Изучение механизмов и закономерностей передачи генетической информации из поколения в поколение на субклеточном и молекулярном уровне. 3. Анализ способов и вариантов реализации генетической информации в признаки. 4. Изучение мутаций и механизмов их возникновения на субклеточном и молекулярном уровне. 5. Разработка путей и методов конструирования наследственных структур живых организмов. 6. Изучение возможностей создания модифицированных геномов методами молекулярной генетики, генной инженерии для нужд селекции сельскохозяйственных животных и растений, медицинской генетики и т.д. 7. Изучение действия на живые организмы и их наследственные структуры различных видов излучений, а также определение значения этих воздействий в эволюционных процессах. 8. Изучение генофонда человеческой популяции, и влияние различных факторов на генофонд. Разработка мер профилактики, направленных на сохранение генофонда современных и будущих поколений. 9. Разработка методов профилактики, предотвращения и, возможно, лечения наследственных заболеваний. 10. Продолжение исследования генома человека. Ниже приведен краткий словарь основных понятий и терминов в генетике. Основные понятия и термины генетики Наследование – передача генетической информации от одного поколения другому. Наследственность – свойство живых организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями и специфический характер индивидуального развития. Изменчивость – свойство живых организмов изменять наследственные задатки, приобретать новые признаки в процессе развития организмов при взаимодействии с внешней средой. Ген – (от греческого род, происхождение) – фрагмент молекулы ДНК (РНК – у некоторых вирусов), кодирующий первичную структуру полипептида. Доминантный ген (аллель) – ген, проявление действия которого не зависит от наличия других генов данной серии в организме. Обозначается заглавными буквами латинского алфавита А, В, С). Рецессивный ген (аллель) – ген, проявляющий действие в отсутствии доминантной аллели, обозначают а, в, с. Гены (аллели) – активность которых одинакова при их совместном присутствии в генотипе, называют кодоминтатными. 42 Генотип – совокупность всех генов организма, которая реализуется в фенотипе в пределах нормы реакции в определенных условиях внешней среды. Геном – совокупность генов гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. Генофонд – совокупность всех генов популяции или вида. Фенотип – совокупность внешних и внутренних признаков и свойств организма, определяемых генотипом и реализующихся в пределах нормы реакции в определенных условиях внешней среды. Норма реакции – пределы, в которых изменяются фенотипические признаки. Законы Г. Менделя Первый закон Г. Менделя заключается в единообразии гибридов первого поколения. При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все потомство в первом поколении единообразно как по фенотипу, так и по генотипу. Это закон дискретной наследственной детерминации признаков. Он лежит в основе теории гена, согласно которой признак определяет единичный задаток, отличный от другого. Второй закон Г. Менделя заключается в расщеплении гибридов второго поколения. При скрещивании 2-х гетерозиготных особей, т.е. гибридов, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3 : 1 и по генотипу 1 : 2 : 1. Это закон относительного постоянства наследственной единицы – гена (у гомозигот признак в поколениях остается неизменным). Хронологически следующей предложенной закономерностью была гипотеза «чистоты гамет», ставшая в последствии IV законом Менделя. Мендель высказал положение, что в половых клетках находятся обособленные (дискретные) частицы, определяющие развитие того или иного признака. Это положение У. Бэтсон в 1902 г. сформулировал следующим образом «гены в гаметах у гибридных особей находятся в единственном числе и они «чисты», т.е. аллельные гены находятся в половых клетках в одинарном наборе.» Третий закон Г. Менделя заключается в независимом комбинировании признаков. Третий закон – это закон аллельного состояния гена (доминантность и рецессивность).При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся двумя (или более) парами альтернативных признаков, во втором поколении (F 2 ) наблюдается независимое наследование и комбинирование признаков, если гены, определяющие их, расположены в различных гомологичных хромосомах. Расщепление по фенотипу по каждому признаку 3 : 1, независимо от числа признаков. Суммарная формула выражается как (3 + 1) n , где n – число пар признаков, принятых во внимание при скрещивании. При анализе 2-х пар признаков, расщепление по фенотипу происходит следующим образом 9 : 3 : 3 : 1. 43 Лабораторная работа № 5 Выделение ДНК из растительных тканей При выделении ДНК из тканей растений важным фактором является эффективное разрушение клеточных стенок. Многие методы, используемые для этого, приводят к сильной фрагментации ДНК (из-за гидродинамических разрывов в цепи). Часто приходится находить компромисс между размером ДНК и ее количественным выходом, ведь молекулы ДНК – самые крупные полимерные биомакромолекулы. Высвобождение высокомолекулярной ДНК из клеток – это только часть задачи, поскольку растительные экстракты содержат большие количества белков, полисахаридов, танинов и пигментов, которые в ряде случаев весьма трудно отделить от ДНК. Ткани растений обычно разрушают механическим растиранием в присутствии детергентов, растворяющих мембраны клеток, и хелатирующих агентов, подавляющих действие клеточных нуклеаз за счет связывания двухвалентных катионов. От белков ДНК-комплекса избавляются фенольной депротеинизацией образца. Некоторые методики для освобождения ДНК от белков хроматина предусматривают использование протеиназ. После депротеинизации препарат все еще сильно загрязнен полисахаридами. Если требуется большое количество чистой ДНК, то образцы очищают ультрацентрифугированием в градиенте плотности хлористого цезия. Распространены методы с использованием двух детергентов CTAB (cetyl trimethyl aммonium bromid) и SDS (sodium dodecyl sulfate). Метод с использованием СTAB позволяет получать препараты растительной ДНК с чистотой, достаточной для ПЦР, рестрикционного и гибридизационного анализа. CTAB хорошо растворяет мембраны клеток. Кроме того, его применение позволяет разделить ДНК и полисахариды, поскольку они отличаются по растворимости в присутствии этого поверхностно-активного вещества. При высоких концентрациях солей нуклеиновые кислоты образуют стабильные, но вместе с тем растворимые комплексы со CTAB. При снижении концентрации соли ниже 0,4М NaCl происходит выпадение в осадок комплексов CTAB/нуклеиновая кислота, тогда как большая часть полисахаридов остается в растворе. Осадок снова растворяют в высокосолевом растворе 1М NaCl и высаживают ДНК спиртом. Другая методика также предусматривает использование детергентов, в частности SDS, который также осуществляет солюбилизацию биомембран и быструю денатурацию протеинов (при этом инактивируются нуклеазы). Белки и полисахариды в растительных экстрактах при 0 0 С образуют комплексы с SDS и выпадают в осадок, а нуклеиновые кислоты остаются в растворе. Высокомолекулярная ДНК, очищенная впоследствии от белков фенолом, осажденная спиртом и растворенная в соответствующих буферах пригодна для рестрикции и ПЦР. 44 Задание по теме 1. Провести выделение ДНК из растительной ткани. Контрольные вопросы 1. Что такое изменчивость? 2. Назовите основные типы изменчивости. 3. Что такое комбинативная изменчивость? 4. Что такое мутационная изменчивость? 5. Что такое мутации? 6. Какие существуют классификации мутаций? 7. Что такое мутагены, назовите их классификацию? 8. Что такое генетика? 9. Какие существуют методы в генетике? 10. Охарактеризуйте три закона Г. Менделя. АНТРОПОЛОГИЯ Антропология – это наука о человеке.Выделяют следующие разделы антропологии:антропогенез, морфология человека, этническая антропология (расоведение) и физиологическая антропология. Антропогенез – это раздел антропологии, изучающий процесс возникновения и становление человека, его место в системе животного мира. Морфология человека – это наука, изучающая вопросы индивидуальной изменчивости физического типа человека, возрастные и половые различия и т.д. Расоведение представляет собой дисциплину, изучающую антропологический состав народов земного шара в прошлом и настоящем, формирование рас, историю расселения народов на Земле и др. Физиологическая антропология – это наука, которая исследует физиологические и биохимические особенности и их вариации у человека (распределение групп крови в популяция, вариации гемоглобина и т.д.). Выделяют следующие методы исследования, применяемые в антропологии. Методы антропологии 1. Антропоскопия – это метод, который заключается в описании качественных признаков. Применяется в тех случаях, когда измерительная техника сложна, или еще не сконструирована (например: спина – прямая, сутулая; грудная клетка – плоская, коническая, цилиндрическая). Для описания признаков используют схему или шкалу. Примером схемы может служить составление словесного портрета в судебной медицине или криминалистике. Так, для описания цвета кожи предложена шкала из 12 оттенков. 45 2. Антропометрия – это метод, который заключается в измерении определенных участков тела. Например, измеряют размеры таза (в акушерстве), рост, длину конечностей, размеры черепа и т.д. На основе антропометрических данных разработаны стандартные размеры одежды, обуви и головных уборов. В России антропология как самостоятельная наука сформировалась во второй половине 19 века благодаря трудам таких ученых, как К.М. Бэр, Н.Н. Миклухо-Маклай, А.П. Богданов, Д.Н. Анучин. В 1919 году по инициативе Д.Н. Анучина в Московском университете была организована кафедра антропологии, а в 1922 году – институт антропологии. С 1923 г. кафедру и институт почти 60 лет возглавлял ученик Д.Н. Анучина – В.В. Бунак. В настоящее время базовым учреждением антропологической науки в нашей стране является НИИ и музей антропологии имени Д.Н. Анучина в Москве. Значительный вклад в развитие антропологии внесли отечественные ученые – Алексеев В.П. Богданов А.П., Зубов А.А., Кочеткова В.И., Рогинский Я.Я., Урысон М.И., Якимов В.П. и др. Существуют следующие доказательства животного происхождения человека. Доказательства животного происхождения человека включают в себя: 1. Рудименты (органы, утратившие функции – копчик, аппендикс, третье веко). 2. Атавизмы (органы, признаки, имеющиеся у далеких предков – волосатость, хвостатость, многососковость, баталов проток, остаток заостренного уха). 3. Сходство в развитии зародыша (хрящевой скелет, жаберные дуги, симметричное отхождение сосудов от сердца, гладкая поверхность мозга и др.). 4. Мимика, общие паразиты, группы крови по системе АВО, общие болезни. 5. Левосторонняя дуга аорты, наличие диафрагмы, молочные и постоянные зубы, зрелые эритроциты без ядер и др. Существуют следующие доказательства отличия человека от животного. Эти доказательства включают в себя: 1. Приспособленность к прямохождению (позвоночник S-образной формы, куполообразная стопа, большой палец имеет функцию опоры таз широкий) 2. Мозговой отдел черепа преобладает над лицевым. Отсутствуют надбровные дуги, а челюсти и жевательная мускулатура развиты слабее. 3. Хорошо развиты мышцы ног (ягодичные, четырехглавые, икроножные). 4. Наличие гибкой кисти. 5. Значительное развитие височных, лобных и теменных долей мозга. Наличие речи, абстрактного мышления и сознания. |