Мутация

0-5 

Мутация  вопрос 45  

Мутационная изменчивость.

Мутационная изменчивость связана с процессом образования  мутаций. 
Мутации – это внезапные скачкообразные стойкие изменения в структуре генотипа. Организмы у которых произошла мутация называются мутунтами. 
Мутационная теория была создана, как говорилось выше, Гуго де Фризом в 
1901-1903 гг. На основных ее положениях строица современная генетика: мутации, дискретные изменения наследственности, в природе спонтанны, мутации передаются по наследству, встречаются достаточно редко и могут быть различных типов. В зависимости от того какой признак положен в основу, на сегоднешний день существует несколько систем классификации мутаций.

Классификация мутаций

 
1. По способу возникновения. Различают  спонтанные и индуцированные мутации

Спонтанные происходят в природе крайне редко с частотой 1-100 на миллион экземпляров данного  гена. В настоящие время очевидно, что спонтанный мутационный процесс  зависит как от внутренних, так  и от внешних факторов, которые  называют мутационным давлением среды.

Индуцированные  мутации возникают при воздействии  на человека мутагенами –факторами, вызывающими  мутации. Мутагены же бывают трех видов: 
. Физические ( радиация, электро – магнитное излучение, давление, температура и т.д.) 
. Химические (цитостатики, спирты,фенолы и т.д.) 
. Биологические ( бактерии и вирусы ) 
2. По отношению к зачатковому пути. Существуют соматические и генеративные мутации. Генеративные мутации возникают в репродуктивных тканях и поэтому не всегда выявляются. Для того, чтобы выявилась генеративная мутация, необходимо, чтобы мутантная гамета учавствовала в оплодотворении. 
3. По адаптивному занчению. Выделяют положительные, отрицательные и нейтральные мутации. Эта классификация связана с оценкой жизнеспособности образовавшегося мутанта. 
4. По изменению генотипа. Мутации бывают генные, хромосомные и геномные геномные. 
5. По локализации в клетке. Мутации делятся на ядерные и цитоплазматические. Плазматические мутации возникают в результате мутаций в плазмогенах, находящихяс в митохондриях. Полагают, что именно они приводят к мужскому бесплодию. Причем такие мутации в основном наследуются по женской линии.

Генные мутации

Генные ( точковые ) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть(делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно – клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соответствующий нормальный ген кодирует одну из полипептидныз цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую( вместо глутамина – валин). Казалось бы ничтожное изменение, но оно влечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно – клеточную форму, и уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма. Генные мутации приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. 
Наиболее вероятное мутация генов происходит при спаривание тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.

Интересно, что  значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена первого  и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, "Молчащая мутация"- изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокилотная последовательность белка не меняется.

Хромосомные мутации

Хромосомные мутации  приводят к изменению числа, размеров и организации хромосом, поэтому  их иногда называют хромосомными перестройками. Хромосомные перестройки делятся  на внутри- и межхромосомные. 
К внутрехромосмным относятся:

. Дубликация – один из участков хромосомы представлен более одного раза.

. Делеция –  утрачивается внутренний участок  хромосомы.

. Инверсия –повороты  участка хромосомы на 180 градусов. 
Межхромосомные перестройки (их еще называют транслокации) делятся на:

. Реципрокные  – обмен участками негомологичных хромосом.

. Нереципрокные  – изменение положения участка  хромосомы.

. Дицентрические  – слияние фрагментов негомологичных  хромосом.

. Центрические  – слияние центромер негомологичных  хромосом.

Хромосомные мутации  проявляются у 1% новорожденных. Однако интересно, исследования показали, что нестабильность соматических клеток здоровых доноров не исключение, а норма. В связи с этим была высказана гипотеза о том, что нестабильность соматических клеток следует рассматривать не только как патологическое состояние, но и как адаптивную реакцию организма на измененные условия внутренней среды. Хромосомные мутации могут обладать фенотипическими явлениями. Наиболее распостраненный пример - синдром 
"Кошачьего крика" (плачь ребенка напоминает мяукание кошки). Обычно носители такой делеции погибают в младенчестве. Хромосомные мутации часто приводят к паталогическим нарушениям в организме, но в то же время хромосомные перестройки сыграли одну из ведущих ролей в эволюции. Так, у человека 23 пары хромосом, а у обезьяны - 24. Таким образом различие составляет всего одна хромосома. Ученые предполагают, что в процессе эволюции произошла хотя бы одна перестройка. Подтверждением этого может служить и тот факт, что 17 хромосома человека отличается от такой же хромосомы шимпанзе лишь одной перецентрической инверсией. Такие рассуждения во многом подтверждают теорию Дарвина.

Геномные мутации

Главная отличительная  черта геномных мутаций связана  с нарушением числа хромосом в  кариотипе. Эти мутации так же подразделяются на два вида: полиплоидные анеуплоидные.

Полиплоидные  мутации ведут к изменению  хромосом в кариотипе, которое кратно гаплоидному набору хромосом. Этот синдром впервые был лишь обнаружен  в 60-ых годах. Вообще полиплодия характерна в основном для человека, а среди животных встречается крайне редко. При полиплоидии число хромосом в клетке насчитывается по 69 (триплодие) , а иногда и по 92 (тетраплодие) хромосомы. Такое изменение ведет практически к 100 % смерти зародыша. 
Триплодие имеет не только многочисленные пороки, но и приводит к потере жизнеспособности. Тетраплодие встречается еще реже, но так же зачастую приводит к летальному исходу.

Анеуплоидные  же мутации приводят к изменению  числа хромосом в кариотипе, некратное  гаплоидному набору. В результате такой мутации возникают осыби с аномальным чилом хромосом. Как и триплодия, анеуплодия часто приводит к смерти еще на ранних этапах развития зародыша. Причиной же таких последствий является утрата целой группы сцепления генов в кариотипе.

В цело же, механизм возникновения геномных мутаций связан с патологией нарушения нормального расхождения хромосом в мейозе, в результате чего образуются аномальные гаметы, что и ведет к мутации. 
Изменения в организме связаны с присутствием генетически разнородных клеток. Такой процесс называется мозаицизм.

Геномные мутации  одни из самых страшных. Они ведут  к таким заболеваниям, как синдром  Дауна (трисомия, возникает с частотой 1 больной на 600 новорожденных), синдром  Клайнфельтера и др.

Спонтанные мутации

Мутации, помимо качественных свойств, характеризует и способ возникновения. Спонтанные (случайные) – мутации, возникающие при нормальных условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов 
( биологические, химические, физические ). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его родителей он отсутствует. Проведенное в Дании исследование показали, что примерно одна из 24000 гамет несет в себе доминантную мутацию. Ученый же Холдейн рассчитал среднюю вероятность появления спонтанных мутаций, которая оказалась равна 5*10-5 за поколение. Другой ученый Курт Браун предложил прямой метод оценки таких мутаций, а именно: число мутаций разделить на удвоенное количество обследованных индивидов.

Индуцированные  мутации.

Индуцированный  мутагенез – это искусственное  получение мутаций с помощью  мутагенов различной природы. Впервые  способность ионизирующих излучений  вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым. 
Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая зависимость мутаций. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия. 
В конце сороковых годов открыли существование мощных химических мутагенов, которые вызывали серьезные повреждения ДНК человека для целого ряда вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов на человека может служить эндомитоз – удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без расхождения хромосом.

Мутационный процесс  является главным источником изменений, приводящим к различным патологиям. Задачи науки на ближайшие время  определяются как уменьшения генетического  груза путем предотвращения или снижения вероятности мутаций и устранения возникших в ДНК изменений с помощью генной инженерии. Генная инженерия - новое направление в молекулярной биологии, появившееся в последние время, котоое может в будущем обратить мутации на пользу человеку, в частности, эффективно бороться с вирусами. Уже сейчас существуют вещества называемые антимутагены, которые приводят к ослаблению темпов мутирования. Успехи современной генетики находят применение в диагностики, профилактике и лечении ряда наследственных патологий . Так, в 1997 году в США была получена рекомбинативная ДНК. С помощью генной инженерии уже сконструированы искусственные гены инсулина, интерферона и других веществ.

Концепции происхождения жизни  вопрос 54

   В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.  

   Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной  теории происхождения жизни.  

   В 1924 г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при  мощных электрических разрядах в  земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд.лет  назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.  

   В отношении самозарождения организмов необходимо отметить, что Французская Академия наук еще в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый, основоположник современной микробиологии Луи Пастер. Своими опытами он доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.  

   Важно подчеркнуть, что в настоящее  время жизнь на Земле не может  возникнуть абиогенным путем.  

   Еще Дарвин в 1871 г. писал: "Но если бы сейчас ... в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было невозможно в период возникновения живых существ".  

   Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.  

   Наряду  с теорией абиогенного происхождения  жизни существуют и другие гипотезы. Так, в 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь  является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г. выдвинул известный шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, что во Вселенной вечно существуют зародыши жизни - гипотезу панспермии.  

   Панспермия - гипотеза о повсеместном распространении  во Вселенной зародышей живых  существ. Согласно панспермии, в мировом  пространстве рассеяны зародыши жизни (например, споры микроорганизмов), которые движутся под давлением  световых лучей, а попадая в сферу притяжения планеты, оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого.  

   Гипотеза  А.И.Опарина о возникновении жизни  на Земле опирается на представление  о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно водным растворам желатина. А.И.Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями или коацерватами.

   Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Это  еще не живые существа. Их возникновение  рассматривают как стадию развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство, характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себе молекул. 

Прокариоты  вопрос 2

2. При изучении органического мира Земли было установлено, что организмы по их строению можно разделить на две больших группы: клеточные и неклеточные формы. Большинство организмов имеют клеточное строение, и только организмы, образующие царство Вирусы, имеют неклеточное строение.

  Вирусы  были открыты Д.И. Ивановским в 1892 г., а в 1917 г. Ф. д’Эрель открыл бактериофаг – вирус, поражающий бактерии. Вирусы образуют царство Предклеточные или Вирусы. Это организмы, имеющие очень малые размеры (от 20 до 2000 нанометров). Вирусы не способны к росту и их жизнедеятельность может осуществляться только внутри клетки организма хозяина. Тело вируса образовано нуклеиновой кислотой (или ДНК, или РНК). Соответствующая нуклеиновая кислота содержится в капсиде (разновидность капсулы), состоящем из белка, иногда капсид покрыт мембраной.

  Вирусы  являются паразитическими организмами  и большинство из них (кроме бактериофагов) являются вредными для человека, животных и растений из-за того, что вызывают различные заболевания. Известны вирусы табачной мозаики табака, огурцов, вирусы гепатита, гриппа, иммунодефицита. Последние вирусы вызывают синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД) – «чуму XX века». Из-за легкой распространяемости вирусы вызывают пандемии (заболевания охватывающие большие территории и значительное количество людей или других организмов). Людям следует соблюдать правила профилактики относительно заболеваний, вызываемых вирусами. Это особенно относится к вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ), так как современная медицина пока не владеет надежными методами его излечения. Соблюдение элементарных норм межполовых отношений, использование средств механической контрацепции являются достаточно надежными способами борьбы со СПИДом.

  Биолого-экологическая  роль вирусов состоит в том, что  они являются фактором эволюции, вызывая  гибель ослабленных особей и способствуя  выживанию более приспособленных  к данной среде обитания организмов.

  Воздействие вирусов на организм хозяина состоит в том, что они  воздействуют на обмен веществ, нарушая его за счет усиления тех процессов, которые способствуют реализации жизнедеятельности вируса. 

3.  Клеточные  организмы преобладают над неклеточными  и имеют сложную классификацию. При изучении строения клетки было обнаружено, что большинство клеточных форм организмов в составе клеток обязательно содержат особый органоид – ядро. Однако в клетках некоторых организмов ядро отсутствует. Поэтому клеточные организмы разделяют на две группы: ядерные (или эукариоты) и безъядерные (или прокариоты).

  Прокариотами  называют микроскопические организмы, у которых нет ядерной мембраны и организованного ядра. У них  нет также стадии эмбрионального развития. Прокариотами являются в  основном одноклеточные организмы. К ним относят и некоторые колониальные формы. Одноклеточные организмы растительной природы вместе с одноклеточными животными составляют значительную часть биомассы Земли.

  Генетический  материал у прокариотов представлен  молекулой ДНК, находящейся в ядерной (центральной) зоне. Размножаются прокариоты путем простого деления, хотя у некоторых из них отмечается наличие аналога полового процесса в виде конъюгации.

  Прокариоты  не обладают ни хлоропластами, ни митохондриями. У них нет комплекса Гольджи и центриолей, но есть рибосомы. Характерной особенностью прокариот является наличием у них клеточной стенки. Известны подвижные формы этих организмов.

  Некоторые прокариоты способны к фиксации азота  атмосферы, но не способны к жизни  в отсутствии кислорода (анаэробы). 

4.  К  безъядерным организмам относятся  бактерии и сине-зеленые водоросли,  которые образуют царство Дробянки, входящее в надцарство Доядерных  или Прокариотов. Царство Дробянки  классифицируется далее на подцарства  Архебактерии, Настоящие бактерии и Оксибактерии (сине-зеленые водоросли).

В практическом отношении наибольшее значение имеют  бактерии, которые и будут рассмотрены  ниже.

  Подцарство  Архебактерии. Организмы этого подцарства представлены метаногенными, галофильными и серозависимыми бактериями. Известно около 50 видов архебактерий. Выделяя эту группу организмов в самостоятельное подцарство, нельзя не отметить, что многие биологи классифицируют архебактерии в качестве самостоятельного царства (кроме царств растений и животных).

  В отличие от большинства настоящих  бактерий для архебактерий характерен ряд особенностей. Например, плазматическая мембрана архебактерии имеет однослойную  структуру, а в пептидогликане их клеточных стенок в отличие от клеточных стенок настоящих бактерий отсутствует муреин. Уникальностью являются также мембранные липиды архебактерий, ибо они не содержат эфиров глицерина и жирных кислот, но содержат изопреноидные углеводы, которые обычно встречаются в нефти. В ДНК некоторых архебактерий отмечается наличие повторяющихся последовательностей азотистых оснований, чего нет у настоящих бактерий. У галофилов обнаружен родопсиноподобный белок, обычно содержащийся в зрительном пурпуре многих позвоночных. Схема синтеза белков, осуществляемого архебактериями, является такой же, как и у настоящих бактерий, однако в тРНК этих организмов нет ни тимина, ни урацила. Последний представлен псевдоурином. Есть также отличия и в структуре рРНК.

  Перечисленные особенности делают архебактерии по существу промежуточной формой между  растениями и животными, что и явилось основанием для некоторых ученых к выделению их в самостоятельное царство. Однако следует заметить, что многие ученые не разделяют эту точку зрения. Большинство специалистов классифицируют архебактерии в рамках подцарства.

  Среди архебактерий встречаются как аэробы, так и хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Классификация архебактерий еще  плохо разработана. Архебактерии являются древнейшими прокариотами. Возможно, что они были самыми первыми организмами  на Земле.

  Подцарство  Настоящие бактерии. Бактерии являются одноклеточными микроскопическими организмами, размеры которых измеряются микронам. На основе метода окраски по Грамму различают грамположительные и грамотрицательные бактерии. В зависимости от формы среди бактерий различают бациллы, стафилококки, диплококки, стрептококки, вибрионы, спириллы. Бактерии многих видов подвижны, обладая жгутиками или ресничками.

  Бактерии  содержат почти все структурные  элементы, которые характерны для  клеток растений и животных. Однако в отличие от клеток растений и животных бактерии не обладают хлоропластами (митохондриями), центриолями, ядерной мембраной, ядрышком.

  Бактерии  являются обитателями практически  всех экологических ниш.

  Размножение бактерий происходит путем простого деления или путем спорообразования. У бактерий многих видов открыта конъюгация, являющаяся аналогом полового процесса и зависимая от содержания в них плазмид. Бактерии, обладающие плазмидами, служат в качестве доноров генетического материала. Бактерии, не обладающие плазмидами, являются реципиентами этого материала.

  Большинство бактерий является гетеротрофами, а  часть их является автотрофами или  хемосинтезирующими. Бактерии многих видов являются аэробами, но встречаются  и анаэробы.

  Значение  бактерий в природе очень велико. Они вызывают брожение, гниение, а также минерализацию органических веществ, результатом деятельности является накопление карбонатов, сульфидов, фосфатов, бокситов, образование железных руд и т.д. Клубеньковые бактерии, колонизируя корневые клубеньки бобовых растений, усваивают азот атмосферы благодаря наличию в них специальных органелл – симбиосом. Из симбиосом азот  в форме NH₃ или NH₄⁺ под действием бактериального мембранного белка транспортируется затем в клетки растений.

  Бактерии  широко используются в практике. Например, бактерии молочного брожения используют в производстве молочнокислых продуктов, а также в консервировании овощей, силосовании кормов для животных.

  Известны  также виды бактерий, являющиеся продуцентами антибиотиков. Бактерии используют в  генной инженерии для клонирования и поддержания в них векторных молекул ДНК (плазмид) и гибридных молекул ДНК.

  Многие  виды бактерий являются возбудителями  бактериальных болезней человека, животных и растений. Наиболее известными бактериальными болезнями человека являются дизентерия, чума, холера, дифтерия и другие. У человека и животных бактерии вызывают туберкулез, бруцеллез, сибирскую язву и другие болезни.

  Бактерии  являются древнейшими обитателями  Земли. Однако их происхождение не совсем ясно. Предполагают, что они произошли от самых примитивных организмов, называемых прогенотами и оцениваемых в качестве предшественников прокариот. Но сведения о строении и функциях прогенот отсутствуют, и это мешает установлению действительных связей между прогенотами и бактериями.