Лекція. Закономірності успадкування менделюючих ознак у людини. Взаємодія генів. Генотип людини як цілісна система генів організму. Генетика людини вивчае генетичну зумовленість фізіологічних, біо
 Скачать 216.03 Kb.
|
1 2 Організація потоків речовини та енергії в клітині. У клітині постійно здійснюється потік речовин і енергії. Суть потоку речовин полягає в безперервному надходженні у клітину органічних і неорганічних сполук і виведенні кінцевих продуктів метаболізму. Потік енергії - це сукупність реакцій розщеплення органічних речовин з вивільненням енергії хімічних зв'язків, яка акумулюється в мак-роергічних зв'язках АТФ і використовується в подальшому клітиною. Енергетичний обмін відбувається в декілька етапів: підготовчий, безкисневий і кисневий. На підготовчому етапі за допомогою травних ферментів великі органічні молекули розщеплюються на мономери: білки - до амінокислот, жири - до гліцерину та жирних кислот, полісахариди - до моносахаридів, нуклеїнові кислоти - до нуклеотидів. Енергія, яка при цьому вивільняється, розсіюється у вигляді тепла. Безкисневий (анаеробний) етап енергетичного обміну відбувається у клітинах. На даному етапі молекули глюкози розщеплюються шляхом гліколізу на дві молекули піровиноградної (С3Н4О3) або (особливо у м'язових клітинах) молочної кислоти (С3Н6О3). Сумарне рівняння гліколізу має такий вигляд: C6H12O6 + 2АДФ + 2Н3Р04 → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О Під час гліколізу виділяється близько 200 кДж енергії. Частина її (близько 80 кДж) витрачається на синтез двох молекул АТФ, а решта (приблизно 120 кДж) - розсіюється у вигляді тепла. Незважаючи на низьку ефективність, гліколіз має надзвичайно велике фізіологічне значення. Завдяки йому організм може отримувати енергію в умовах дефіциту кисню, а його кінцеві продукти (піровиноградна та молочна кислоти) зазнають подальшого ферментативного перетворення в аеробних умовах. Кисневий (аеробний) етап енергетичного обміну можливий лише в аеробних умовах (за наявності кисню), коли органічні сполуки, що утворилися на безкисневому етапі, окиснюються в клітинах до кінцевих продуктів - СО, та Н,О. Окиснення сполук пов'язане з відщепленням від них водню, який передається за допомогою особливих біологічно активних речовин-переносників до молекулярного кисню, з утворенням молекули води. Цей процес називають тканинним диханням. Він відбувається в мітохондріях і супроводжується виділенням великої кількості енергії та акумуляцією її в макроергічних зв'язках молекул АТФ (окиснювальне фосфорилування). Сумарне рівняння аеробного дихання має такий вигляд: 2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 6СО2 + 36АТФ + 6Н2О Таким чином, на кисневому етапі утворюється у вісімнадцять разів більше АТФ, ніж на безкисневому. Універсальною речовиною, яка накопичує енергію в процесі енергетичного обміну, є аденозин-трифосфорна кислота (АТФ). Молекула АТФ -це нуклеотид, який складається із залишків азотистої основи (аденіну), вуглеводу (рибози) та трьох залишків фосфорної кислоти. Якщо під дією ферменту відщеплюється один залишок фосфорної кислоти, АТФ перетворюється на аденозиндифосфат (АДФ) з вивільненням близько 40 кДж енергії. Коли від молекули АТФ відщеплюються два залишки фосфорної кислоти, утворюється аденозинмонофосфат (АМФ), при цьому вивільняється близько 80 кДж енергії. Молекула АМФ також може розщеплюватися. Отже, під час розщеплення АТФ виділяється велика кількість енергії, яка використовується для синтезу необхідних організму сполук, підтримання певної температури тіла тощо. З іншого боку, частина енергії, що вивільняється, витрачається на синтез АТФ із АДФ чи АМФ і молекул фосфорної кислоти, які зв'язуються макроергічними зв'язками (виникають між залишками фосфорної кислоти в молекулах АДФ або АТФ). Таким чином, молекули АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії у клітинах. Хімічна природа макроергічних зв'язків остаточно ще не з'ясована. Стовбурові клітини та їх використання у медицині. Вивчення тонких механізмів ембріонального розвитку організму ссавців із єдиної клітини і процесів заміщення ушкоджених клітин здоровими клітинами у дорослому організмі інтенсивно розвивалося за останні 20 років минулого сторіччя. В основі цього необхідного напрямку є дослідження стовбурових клітин. Стовбуровими клітинами (СК) вважають неди-ференційовані клітини, здатні до самовідновлення та продукування хоча б одного типу високодиферен-ційованих нащадків. Розрізняють два типи СК - плюрипотентні ембріональні стовбурові клітини (ЕСК), які одержують із бластоцисти, і дорослі стовбурові клітини - обмежені ними (мультипотентні та уніпотентні), які виявлені в різних тканинах. Ці групи СК відрізняються одна від одної і від їх нащадків за багатьма морфологічними ознаками, локалізацією, рецепторами поверхні, факторами транскрипції. Всі СК, незалежно від їх походження, мають спільні властивості: здатні до поділу та самовідновлення впродовж тривалого часу, вони не спеціалізовані, можуть давати початок спеціалізованим типам клітин. На відміну від нервових клітин, які зазвичай не розмножуються, СК можуть відновлюватися багато разів. Процес багаторазового відновлення клітин називають проліферацією. Початкова популяція СК, що проліферують упродовж багатьох місяців у лабораторії, може утворити мільйони клітин. Якщо кінцеві клітини продовжують бути неспеціалізова-ними, подібно до батьківських СК, то вони вважаються здатними до тривалого самовідновлення. Одна з основних властивостей СК - те, що вони не мають жодних тканинноспецифічних структур, які дозволили б їм виконувати спеціалізовані функції. СК не може, як клітина серцевого м'яза, взаємодіяти з іншими клітинами, щоб постачати кров до судин; вона не може переносити молекули кисню, як еритроцити; і вона не проводить електрохімічні сигнали до інших клітин (подібно до нервових клітин). Вчені шукають фактори, які дозволяють СК залишатися недиференційованими. Потрібно було багато років і помилок, щоб навчитися культивувати СК в умовах лабораторії, перешкоджати їх спонтанному диференціюванню у визначені клітини. Тільки через 20 років після створення лабораторних умов для вирощування СК миші, навчилися вирощувати зародкові СК людини. Важливою ділянкою наукових досліджень є вивчення сигналів у тканинах та органах дорослого організму, які призводять до проліферації популяції СК і залишають їх недиферен-ційованими доти, доки вони не стануть потрібні для регенерації визначеної тканини. Це необхідно для того, щоб виростити велику кількість неспеціалізованих СК у лабораторіях для проведення експериментів. Процеси, під час яких неспеціалізовані СК дають початок спеціальним клітинам, називаються диференціацією. Тільки зараз починається вивчення сигналів, які запускають цей процес, їх поділяють на внутрішні та зовнішні. Внутрішні сигнали контролюються генами клітини, які несуть закодовані інструкції для всіх структур і функцій клітин. Зовнішні сигнали включають хімічні речовини з інших клітин, фізичний контакт із сусідніми клітинами, деякі молекули позаклітинного середовища. Дослідження сигналів диференціювання СК необхідне, оскільки за їх допомогою вчені можуть виростити клітини або тканини, які можна використати для лікування багатьох захворювань. Зрілі СК продукують клітини визначеної тканини, в яких вони знаходяться. Наприклад, зрілі СК в кістковому мозку дають початок багатьом типам клітин крові. Донедавна вважалося, що гемопое-тичні СК не можуть давати початок диференційованим клітинам інших тканин, наприклад, нервових. За останні роки численними експериментами показано, що СК походять із однієї тканини, а дають початок клітинам зовсім іншої тканини. Такий феномен одержав назву пластичності. Так, кровотворні клітини дають початок нейронам або клітинам серцевого м'яза, клітини печінки трансформуються в клітини, що продукують інсулін. Активно вивчається можливість використання зрілих СК у клінічній практиці. Існує велика різноманітність напрямків, у яких СК людини можуть використовуватися в експериментальному та клінічному дослідженнях. Але є багато технічних перешкод між потенціалом стовбурових клітин і реалізацією його використання, які будуть подолані тільки тривалим, інтенсивним вивченням. Вивчення СК людських зародків може дати інформацію про складні процеси, що відбуваються впродовж розвитку людини. Мета цієї роботи полягає в тому, щоб з'ясувати, як недиференційовані стовбурові клітини стають диференційованими. Перетворення генів на активні і неактивні є важливим у цьому процесі. Деякі з найбільш серйозних медичних станів, таких, як рак і вади розвитку, є наслідком патологічного поділу і диференціювання клітин. Розуміння генетичних і молекулярних регуляторів цих процесів може дати інформацію про те, як виникають такі захворювання, і запропонувати нові стратегії для терапії. Суттєвою перешкодою використання СК є те, що не до кінця з'ясовано сигнали, які сприяють переходу визначених генів у активний і неактивний стан, а також ті, що впливають на диференціювання стовбурових клітин. СК людини також можуть використовуватися для перевірки нових лікарських препаратів. Наприклад, нові медикаментозні препарати могли б бути перевірені на безпечність за допомогою диференційованих клітин, що одержані від людських плюрипотентних ліній клітин. Інші види ліній клітин уже застосовуються в клініці. Ракова клітина формує, наприклад, звикання до лікарських антипухлинних препаратів. Але наявність плюрипотентних СК дозволило б здійснити перевірку препаратів у більш широкому діапазоні типів клітин. Для ефективної перевірки препаратів необхідно створити ідентичні умови при порівнянні різних ліків. Зважаючи на це, вчені повинні будуть точно вміти керувати диференціюванням СК у визначений тип клітин, на яких будуть перевірені ліки. Знання сигналів, що контролюють диференціювання, недостатньо для того, щоб зуміти точно їх зімітувати з метою отримання послідовного ідентичного диференціювання клітин для кожного лікарського засобу, що перевіряється. Можливо, найбільш важливим потенціальним застосуванням людських СК є відновлення клітин та тканин, які могли б використовуватися для терапії, що базується на клітинах. На сьогодні донорські органи і тканини часто використовуються, щоб змінити хвору або зруйновану тканину, але потреба у тканинах та органах для трансплантації перевищує їх доступне постачання. СК, що спрямовані на диференціювання у визначені типи клітин, дозволяють відновлювати джерела заміни клітин і тканин з метою лікування захворювань, зокрема хвороб Паркінсона та Альцгеймера, ушкодження спинного мозку, синців, опіків, захворювання серця, діабету, остеоартриту та ревматоїдного артриту. Наприклад, можливе створення здорових клітин серцевого м'яза в лабораторії з наступною трансплантацією 'їх пацієнтам із хронічною серцевою недостатністю. Попередні дослідження на мишах та інших тваринах вказують на те, що СК кісткового мозку, які були трансплантовані в ушкоджене серце, можуть створювати клітини серцевого м'яза і успішно повторно заселяти серцеву тканину. Інші недавні дослідження в системах клітинних культур вказують на можливе спрямування диференційованих зародкових СК або зрілих клітин кісткового мозку до клітин серцевого м'яза. У людей, хворих на діабет першого типу, клітини підшлункової залози, які зазвичай продукують інсулін, зруйновані власною імунною системою пацієнта. Нові дослідження вказують, що можна спрямовувати диференціювання людських зародкових СК в клітинній структурі з метою формування інсулін-продукуючих клітин, які могли б використовуватися у трансплантаційній терапії хворих на діабет. Для реалізації багатообіцяючих нових методів лікування, що базуються на клітинах, з метою лікування розповсюджених та виснажуючих захворювань, фахівці повинні володіти здатністю легко і продуктивно керувати стовбуровими клітинами так, щоб вони мали необхідні характеристики для успішного диференціювання, трансплантації і приживлення. Надалі потрібні послідовні етапи успішного використання, що базуються на клітинах, щоб контролювати запровадження такого лікування у клініці. Для трансплантації стовбурові клітини повинні мати такі властивості: екстенсивне проліферувати і продукувати достатню кількість тканин; диференціюватися у бажані типи клітин; зберігати життєздатність після трансплантації; об'єднуватися з оточуючими тканинами після трансплантації; функціонувати для продовження життя реципієнта; • не завдавати шкоди реципієнту будь-яким чином. Крім того, щоб уникнути проблеми імунного відторгнення, експериментують з різними стратегіями створення тканин. Таким чином, лікування стовбуровими клітинами перспективне, їх застосування обмежене технічними причинами та дорожнечею, але накопичені результати дають можливість вважати, що ці обмеження будуть подолані. тканинами або віддаленими клітинними системами через нервову систему або гуморальний зв'язок. У кожній тканині є клітини, що зберігають здатність до поділу. Частина з них після поділу починає диференціюватися і заміщує клітини тканини, які відмирають. Друга частина клітин залишається недиференційованою, спроможною до наступних поділів (стовбурові клітини). Самостійна робота № 4 Розв’язування задач на моно-, ди- та полігібрідне схрещування. Розв’язування задач на моно-, ди- та полігібрідне схрещування. 1. Задачі на закон Г.Менделя - «Домінування або одноманітність гібридів І покоління»Тобто всі особини 1 поколіня мають одинаковий проявознаки. Задача №1. У людини володіння переважно правой рукой домінуе над умінням володіти переважно лівою. Чоловік правша одружився з жінкою лівшею. Визначити генотип потомства, народившегося від цього брака. Рішення : Р аа х АА А - правша Гамети а; а А; А; а - лівша F1 Аа Аа Аа Аа (100% правші) Відповідь : генотипы потомства Аа, всі одноманітні . Аналіз : Прояв І Закону Г. Менделя При схрещуванні гібридів проходить розщеплення ознак - 2 Закон Г.Менделя. Рецесивна алель гена не зникае, а тільки подавляетьсята проявляеться в F2. Для простоти рішення можна використовати таблицю Р.Пеннета. Розщеплення по генотипу 1:2:1,а по фенотипу 3 :1. Задача № 2. У людини ген полідактилії домінує над нормальною будовою китиці. Визначити верогідність народження шестипалих дітей, де обидва з батьків гетерозиготны. Рішення : Р Вв х Вв В - алель полідактилії Гамети В; в; В; в; в - алель нормальної китиці F1 ВВ; Вв; Вв; вв; Фенотип: (6-ти) (6-ти) (6-ти) (5-ти) Відповідь: верогідність народження 6-типалих дітей 75% : 25% або -3:1. Аналіз: Тут проявився ІІ закон Г. Менделя. Розв’яжіть задачу! : Міопія (короткозорість) успадковується як домінантна ознака. Визначити верогідність народження дітей з аномалі ями в родині, де батьки гетерозіготні. Якщо необхідно визначити генотип особини, для цього потрібно використовати аналізуюче схрещування : невизначену особину треба схрестити з рецесивною гомозиготою (аа, вв, cc, ... и т.п.). Якщо потомки одноманітні значить невизначено особина була гомозиготою. Якщо в потомстві співвідношення 1:1, то аналізуема особина була гетерозиготою (Аа, Вв, Сс, и т. п.). Задача № 3. Сірий колір тіла мухи домінуе над чорним . А). При схрещуванні сірої з чорною получили 118 сірих и 120 чорних. Визначити генотипи батьків. Рішення : А – сірий; а - чорний В потомстві ми отримали 118 и 120 тобто приблизно 50 : 50 або 1:1, а таке можливо якщо схрещували гетерозіготу (Аа) з рецесивною гомозиготою (аа). Виходить що сірі батьки -Аа ,а чорні- аа. Відповідь : генотипи Р : ( Аа ) и (аа). Б). При схрещуванні сірих мух в потомстві виявили 1392 особин сірих і 467 чорних . Визначити генотипи батьків. Рішення: В результаті схрещування співвідношення приблизно 3 : 1, а це є проявом 2 закону Менделя . Виходить батьки можуть бути тільки гетерозіготами ! В цьому випадку з генотипами (Аа) Відповідь : генотипи батьків -(Аа). Розв’яжіть задачі! 3адача № 4 : У людини ген який викликає одну з форм спадкової глухонімоти рецесивен по співвідношенню до гену норми . Від браку глухонімої жінки з нормальним чоловіком народився глухоніма дитина . Визначте генотипи батьків. 3 № 5 : Наявність пігмента у волоссях людини домінуе над альбінизмом (відсутність пігмента) . Чоловік та жінка гетерозіготні з пігментації волосся . Можливо у них народження дитини альбіноса ? 3 № 6 : Жінка з курячою сліпотою вийшла заміж за здорового чоловіка. Куряча сліпота – домінантна ознака. Їх дитина має нормальний зір. Яка верогідність , що слідуюча дитина буде здорова? 2. Задачі на дигібридне та полігібридне схрещювання не зцеплених генів. При дигібридному схрещюванні просліджуеться схрещювання по двум незалежним ознакам, при полігібридному схрещюванні_по декільком_не зцепленим ознакам. Задача № 7. У людини деякі форми короткозорості домінують над нормальним зіром , а колір каріх очей над блакитними. Гени обох пар знаходяться в різних хромосомах. Яке потомство слід очикувати від браку гетерозіготних по обом ознакам батьків? Рішення: З умови обидва батьки гетерозіготні з обох ознак тобто «АаВв» А - алель яка визначає короткозорість; а - алель яка визначає норм. зір; В - алель яка визначає карі очі ; в - алель яка визначає блакиткі очі. АаВв АВ ; Ав ; аВ ; ав; Короткзор. кароокі. Р АаВв Х Гамети: АВ ; Ав ; аВ ; ав; Фенотипи: Короткзор.кароокі
Відповідь : Можливі варіанти -9:3:3:1; короткозорих карооких - 9 частин (ААВВ; ААВв; АаВВ; АаВв;) короткозорих блакитнооких 3 частини (ААвв; Аавв;), Нормальний зір з карими очима - 3 частини ( ааВВ; ааВв;), Нормальний зір з блакитними очима -1 частина (аавв). Аналіз: Тут має прояв ІІІ закон Г. Менделя Задача № 8. У собак чорний окрас хутра визначаеться геном - В, коришневий -в , сплошний окрас - С , пегій (строкатий) — с. Коришневий самец и чорно-пега самиця мають 5 цуценят: 1 чорний, 1 коришневий , 1 чорнопегій, 2 коришневопегі . Які генотипи батьків? Рішення : з умови видно , що батьки з рецесивної ознаки є гомозіготними. З 2 ознаки вони можут бути як гомо- так і гетерозіготними. Їх генотипи будуть такими : самець - (ввС?) самиця - (В?сс ). Щоб визначити , необхідно розрахувати у потомків генотипи . Особо звертають увагу на гомозіготність алелів. У цуценят ( В?С? - чорний, ввС?- коришневий пыдходить для визначення тому як алель (вв) в равный мыры йде выд обох батькыв, виходить що одне (в) от самця, а друге (в) від самиці, тобто у самиці замість ? можно поставити (в) — Ввсс ! Далі : В?сс — чорно-пегий - теж саме можно розрахувати і по (сс) виходить у самця замість ? — (с) та отримуем генотип - (ввСс )) .Тепер перепровіряем : Р самець ввСс х самиця Ввсс Гамети: вС; вс; Вс; вс; (тількі такі види) Генотипи: ВвСс : ввСс : Ввсс : ввсс . Фенотипи: Чорний коришневий чорнопегій коришневопегій. Що зпівпадає з умовою ! Відповідь : Генотипи у коришневого самця - (ввСс) у чорнопегої самиці - (Ввсс) . Аналіз : Тут має прояв ІІІ закон Г. Менделя Розв’яжіть задачі : Задача № 9. В родині де батьки гарно чули та мали один рівне волосся , а другий хвилясте, народилась дитина глуха з рівним волоссям. Їх друга дитина гарно чула та мала хвилясте волосся. Яка верогідність народження глухих дітей з хвилястим волоссям? Відомо, що ген хвилястості волосся домінує над рівним, а глухота рецесивна ознака та обидві пари генів знаходяться в різних хромосомах. Задача №10.У людини деякі форми короткозорості домінують над нормальним зором, а колір карих очей над блакитними. Гени обох пар вільні. Якого потомства можна очикувати від браку гетерозіготного чоловіка з жінкою яка має блакитні очі та нормальний зір ? Задача № 11.Жінка має вільну мочку вуха (домінантна ознака) та рівне підборіддя , а чоловік прирощину мочку та треугольну ямку на підборідді (домінантна ознака). Син має вільну мочку вуха та треугольну ямку на підборідді, а дочка має тіж ознаки, що у матері. Напишіть можливі генотипи батьків та їх дітей. Задача № 12 ( на тригібрідное скрещивание - полігібрідне) . Полідактилія, короткозорість та відсутність малих кутніх зубів спадкуються як домінантні аутосомні ознаки. Гени всіх 3 ознак знаходяться в різних парах хромосом. Яка верогідність народження дітей без аномалій в родині де обидва батьки страждають всіма з цих 3 недоліків, та є ще й гетерозіготами з усіх 3 пар генів ? 1 2 |