Зрелый, пожилой, старческий возраст

В зрелом возрасте форма и строение тела изменяются мало. Между 30 и 50 годами длина тела остается постоянной, а потом начинает уменьшаться. В пожилом и старческом возрасте происходят постепенные инволютивные изменения организма.

ВОПРОС 29

Старение и старость. Изменение органов и систем органов в процессе старения. Проявления старения на молекулярно-генетическом, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.

Старение является фундаментальным свойством сложных многоклеточных организмов. Процесс старения человека привлекает к себе повышенное внимание. Однако до сих пор нет его точного определения. В самом обобщенном виде это «...общее обозначение группы явлений, которые приводят к уменьшению предстоящей продолжительности жизни с возрастом» (Комфорт, 1967).

По определению Фролькис (1978) старение – многозвеньевой процесс, неизбежно и закономерно нарастающий во времени и ведущий к сокращению приспособительных возможностей организма, увеличению вероятности смерти.

Заключительный этап старения – старость – является результатом нарастающей функциональной недостаточности вследствие внутренних и внешних воздействий, которым человек подвергался в процессе своего развития и последующей жизни. Дается следующее определение старости: «Старость – биопсихологическое и социально-историческое понятие с условными и меняющимися границами на разных этапах историко-эволюционного развития человечества и в различных эколого-популяционных и социальных группах» (Демографический энциклопедический словарь, 1985).

При старении изменяются общие размеры, форма и состав тела, мягкие части лица и покровы (кожа и ее производные).

Рост. Сокращение длины тела при старении связано прежде всего с уплощением межпозвонковых дисков и увеличением сутулости, то есть, развитием старческого кифоза – изгиба грудной части позвоночника.

Наиболее выражено увеличение сутулости после 65 лет, но она может проявляться уже после 40 лет, что связано с индивидуальными особенностями осанки, зависящими и от конституции индивида, и от его образа жизни. Считается, что уменьшение роста происходит после 60 лет в среднем на 0,5–1 см за пятилетие.

^ Масса тела. Масса также снижается от периода зрелости в пожилом и старческом возрасте и особенно у долгожителей. Возрастное уменьшение массы тела у мужчин выражено больше, чем у женщин, кроме долгожителей, где различия, впрочем, незначительны.

Количество мышечной ткани наиболее велико и относительно постоянно в 20–30 лет, затем начинается вначале слабое, а в дальнейшем все нарастающее ее снижение, особенно после 50 лет.

Кожа. Возрастные изменения кожи начинаются обычно после 40 лет. Они особенно сказываются на структуре верхнего (эпидермального) слоя, который утончается и уплощается. К 80 годам его толщина на 25% меньше, чем в 30 лет.

Температура кожи снижается, особенно у долгожителей. Это объясняется общим понижением обменных процессов, но отчасти связано и с ухудшением кровоснабжения и изменениями в потовых железах. Из-за уменьшения их числа ослабляется выделительная функция кожи.

Значительными в период старения всего организма являются возрастные изменения нейро-эндокринной системы, играющей основную роль в регуляции обменных процессов и жизненных функций.

^ Нервная система. Структурно старение нервной системы выражается прежде всего в уменьшении количества нервных клеток – нейронов. Это может происходить вскоре после рождения, но заметная их потеря отмечается довольно поздно, начиная с 50–60 лет, и происходит неравномерно в разных зонах головного мозга стариков. Утрата нейронов в коре головного мозга стариков может достигать 40–50% и более. Вес мозга мужчин 20–30 лет равен в среднем 1394 г, а в 90 лет – всего 1161 г.

Возрастные явления отмечаются также в спинном мозге и периферической нервной системе, а также во всех звеньях вегетативной нервной системы.

^ Органы чувств. Старение органов чувств изучено пока недостаточно. Наибольшее значение имеют возрастные нарушения зрения и слуха, которые существенно ограничивают приспособительные возможности человека, особенно у глубоких стариков.

Вкус – эволюционно древнее чувство, которое формируется очень рано и сохраняется до глубокой старости. Все же по некоторым данным, около 80% людей старше 60 лет имеют ослабление вкусовой функции, предположительно, в наибольшей степени к сладкому. Объективно отмечают уменьшение числа вкусовых луковиц с возрастом, начиная с 45 лет, хотя не исключены и компенсаторные процессы.

Обоняние. Мнения о возрастных изменениях функции обоняния достаточно противоречивы. Предполагают, что оно может ослабляться с 45 лет и прогрессивно снижаться после 60 лет. Однако имеются сведения, что у большинства долгожителей 90–135 лет обоняние было сохранено или незначительно снижено.

^ Сердечно-сосудистая система. В процессе старения существенные изменения затрагивают прежде всего артерии, несущие обогащенную кислородом кровь. В их стенках уменьшается содержание эластина. Уже в 30–40 лет это снижение составляет 5–10%. Начиная с третьего десятилетия, и особенно после 60–65 лет, на стенках сосудов откладываются соли кальция.

Как следствие этих процессов постепенно уменьшается эластичность артерий, снижаются их приспособительные возможности из-за недостаточной способности к расширению и сужению, ослабляется кровоток. Обычно эти изменения больше выражены на нижних конечностях, чем на верхних, и сильнее проявляются с правой стороны тела, чем с левой. Наиболее отчетливы эти изменения в аорте и других крупных стволах.

С возрастом происходят изменения и в венах – увеличивается площадь поперечного сечения, извилистость. Особенно заметными становятся подкожные вены на висках, шее, кистях рук; на ногах они иногда приобретают вид шнурков или желваков. Возрастные изменения затрагивают и сеть мельчайших кровеносных сосудов – капилляров.

Ухудшение кровоснабжения охватывает самые разные системы организма – мозг, мышцы, внутренние органы, то есть, ослабляется общее кровоснабжение тканей и органов, что приводит к развитию переутомления у пожилых и старых людей и повышению артериального давления.

В связи с изменениями крупных сосудов сердце вынуждено затрачивать больше энергии на продвижение крови. В сердечной мышце – миокарде – происходят склеротические изменения. Эти процессы начинаются примерно с 30 лет, особенно, после 40 лет. В старческом возрасте нередко отмечается расширение сердца и ослабление его резервных и приспособительных возможностей, уменьшается сократительная способность сердечной мышцы, она прорастает соединительной тканью.

^ Система крови. Эта система также затрагивается процессами старения. С возрастом значительно уменьшается масса кроветворных органов, особенно красного костного мозга, который заменяется желтым (жировым) в различных костях.

^ Пищеварительная система. Старение пищеварительной системы, по сравнению с другими системами, выражено довольно умеренно.

Наиболее выражены возрастные изменения в ротовой полости. Это ослабление жевательной мускулатуры и костей лицевого отдела черепа. Происходит уменьшение размеров нижней и особенно верхней челюсти, изменение прикуса, расположения зубов. Зубы приобретают желтоватый оттенок и различную степень стертости. Для ее оценки предложен так называемый «индекс стертости». Уменьшается масса слюнных желез и снижается их функция.

^ Дыхательная система. Возрастные изменения наблюдаются прежде всего в костно-мышечном аппарате грудной клетки. Она укорачивается, уплощается с боков и приобретает бочкообразную форму.

В бронхах происходит обызвествление их хрящевого скелета и окостенение в бронхиальном древе. Окостенение обнаруживается обычно на пятом десятилетии жизни, хотя первые костные островки отмечены еще у 20-летнего человека. Результатом является неравномерное сужение просвета, ухудшающее проходимость бронхов.

Легкие в старости уменьшаются в массе и объеме и становятся малоподвижными. Снижается эластичность стенок легочных альвеол, и они растягиваются. При старении уменьшаются общая ёмкость и особенно жизненная ёмкость легких. Поэтому в старости легко появляется одышка при напряженной деятельности. Ослабление легочной вентиляции приводит к большему накоплению в легких пыли. Повышается опасность воспалительных заболеваний бронхов и легких, ухудшается снабжение организма кислородом. Снижается также кислородная насыщенность артериальной крови.

Но в старости существуют и компенсаторные механизмы улучшения функции дыхательной системы, например, учащение дыхания, приводящее к увеличению вентиляции легких. Эти механизмы в условиях покоя обеспечивают нормальный газообмен между легкими и внешней средой. Однако приспособительные возможности и их резервы в преклонные годы ограничены.

^ Выделительная система. В процессе старения затрагиваются все органы выделительной системы. Почки уменьшаются в массе, особенно после 70 лет. К старости теряется до 1/3–1/2 основных морфофункциональных единиц почек – нефронов.У человека, как и у животных, с возрастом прогрессивно уменьшается число почечных клубочков в результате изменений, которые наступают очень рано, но развиваются очень медленно. До 40 лет существует еще 95% нормальных клубочков, а в 90 лет их остается всего 63%. Изменения затрагивают и другие части нефрона.

Существуют половые различия в характере старения почек. Заметное снижение их функциональной активности раньше начинается у мужчин – на третьем десятилетии жизни, а у женщин – на четвертом десятилетии. В последующем эти различия сглаживаются, особенно на восьмом–девятом десятилетиях, но среди глубоких стариков отмечено более выраженное снижение почечных функций у женщин.

Молекулярно-генетический уровень: необратимые нарушения ДНК, неравномерные изменения в синтезе РНК и белков различных классов, изменения в системе передачи генетической информации, нарушения в образовании, транспорте и использовании энергии, снижение активности систем антиоксидантов, падение интенсивности синтеза гормонов и медиаторов.

Клеточный уровень: деградация и гибель части клеток, снижение митотической активности, падение числа митохондрий, разрушение лизосом.

Организменный: общее снижение активности всех органов и систем.

ВОПРОС 31

Механизмы, лежащие в основе онтогенеза. Генетическая регуляция развития на разных этапах онтогенеза. Дифференциальная активность генов и её роль в дифференцировке клеток

Реализация программ морфогенеза происходит под воздействием комплекса генетических и негенетических (парагенетических) факторов.

Генетические программы морфогенеза образованы двумя группами генов:

1 Гены, управляющие переключением: главные гены, «гены–господа». К ним относятся гены–регуляторы, продукты которых влияют на экспрессию других генов, и гомеозисные гены, продуцирующие морфогены – вещества, определяющие морфогенетические процессы. К морфогенамотносятся как тканеспецифические вещества (например, гормоны), так и неспецифические низкомолекулярные соединения (ретиноивая кислота).

2 Гены, обеспечивающие переход от одного состояния (узла) к другому: исполняющие гены, «гены–рабы», продуктами которых являются ферменты, структурные белки.

Экспрессия всех генов контролируется разнообразными эффекторами. Часть из них закодирована в генотипе, часть – поступает в клетки извне или образуется в ходе метаболических реакций. Синтез эффекторов контролируется условиями внешней среды, например, белки «теплового шока», регулирующие процессы транскрипции, синтезируются у дрозофилы при температуре свыше 35 °С, при воздействии антибиотика антимицина А, гидроксиламина, колхицина, хлорида аммония и других веществ.

Регуляция экспрессии всех генов происходит на различных уровнях:

1. Регуляция на генном уровне происходит различным образом

1.1. Модификация ДНК (например, замена цитозина или гуанина на метил-цитозин или метил-гуанин; метилирование оснований снижает активность генов).

1.2. Увеличение объема ДНК в клетке путем дифференциальной амплификации ДНК (например, многократное копирование генов рРНК) или за счет образования политенных хромосом.

1.3. Программированные количественные изменения ДНК (например, изменение ориентации промотора).

1.4. Сплайсинг ДНК (например, вырезание участков генов, кодирующих антитела).

1.5. Диминуция хроматина – необратимая утрата части генетического материала в соматических клетках некоторых организмов (инфузорий, аскарид, циклопов).

1.6. Изменение активности целых хромосом (например, инактивация одной из двух X –хромосом у самок млекопитающих).

1.7. Изменение последовательностей ДНК с помощью подвижных генетических элементов, например, транспозонов.

2. Регуляция на уровне транскрипции – путем регуляции транскрипции мРНК. Интенсивное функционирование отдельных генов или их блоков соответствует определенным этапам развития и дифференцировки. Регуляторами транскрипции у животных часто являются стероидные гормоны.

3. Регуляция на уровне сплайсинга (посттранскрипционной модификации мРНК) – обес­печивает возможность образования различных типов зрелой, функционально активной мРНК. Процессинг РНК регулируется с помощью рибозимов (катализаторов рибонуклеиновой природы) и ферментов матураз. Некоторые генетические заболевания человека (фенилкетонурия, некоторыегемоглобинопатии) обусловлены нарушением сплайсинга.

4. Регуляция на уровне трансляции – обусловлена различной активностью разных типов мРНК.

5. Регуляция на уровне посттрансляционной модификации белков – регулируется путем посттрансляционной модификацией белков (фосфорилированием, ацетилированием, расщеплением исходной полипептидной цепи на более мелкие фрагменты и т.д.).

Рассмотренные примеры свидетельствуют о многообразии способов реализации генетической информации путем регуляции активности самих генов либо их продуктов. Следует, однако, отметить, что для клетки наиболее экономична регуляция на уровне транскрипции, поскольку она препятствует образованию соответствующих мРНК и белков, когда клетка не испытывает в них потребности. Вместе с тем регуляция на уровне транскрипции идет сравнительно медленно, тогда как, например, активация белков путем расщепления молекул-предшественников хотя и неэкономична, но происходит очень быстро.

Гомеозисные мутации. При нарушении структуры гомеозисных генов возникают гомеозисные мутации, которые изменяют порядок экспрессии исполняющих генов. Фенотипический эффект гомеозисных мутаций заключается в превращении одних органов в другие.

ВОПРОС 33

Взаимодействие частей развивающегося организма. Эмбриональная индукция.

Каким образом из единственной клетки возникает сложный организм с разнообразными органами и тканями, клетки которых специализированы на выполнении разных функций, т. е. являются дифференцированными? На этот и другие вопросы ищет ответы эмбриология - наука о развитии организмов. Ученые установили, что первые этапы дифференцировки определяются цитоплазмой зиготы. Дело в том, что вещества, накопленные при образовании яйцеклетки, располагаются в ее цитоплазме неравномерно. При дроблении дочерние клетки получают более или менее различные участки цитоплазмы материнской клетки. Таким образом,бластомеры, имея одинаковые наборы хромосом, оказываются неравноценными по составу цитоплазмы. Эти первичные различия в составе цитоплазмы определяют начальные этапы клеточной дифференцировки. Если пометить различные участки бластулы с помощью красителей, а затем проследить судьбу меченых клеток, то можно узнать, из каких частей разовьется эпидермис кожи, а из каких - нервная система, хорда и т. д. Иногда удается определить, какие именно клеточные структуры ответственны за возникновение зачатков тех или иных органов. Например, у мух в определенной области яйцеклетки накапливаются гранулы, содержащие специфическую РНК. Эти гранулы определяют развитие половой системы. Если до начала дробления разрушить гранулы ультрафиолетовым облучением, то зародыш со временем разовьется во взрослое насекомое, лишенное половых клеток. Однако еще в большей степени развитие зародыша определяется взаимным влиянием составляющих его клеток. Уже при возникновении двух первых бластомеров каждый из них становится неразрывной частью новой биологической системы и его поведение определяется этой системой. У лягушки, например, бластомеры после первого деления дробления равноценны друг другу, и если их разделить, то из каждого бластомера разовьется нормальный головастик, который затем превратится в лягушку. Но если один из первых двух бластомеров убить, но не изолировать от другого, то из оставшегося живым бластомера начнет развиваться только половина тела зародыша. Убедительные факты о взаимовлиянии частей зародыша получены при всевозможных пересадках клеток развивающихся эмбрионов. Так, пересадка нескольких бластомеров на стадии бластулы из области будущей эктодермы в различные места зародыша приводит к тому, что из пересаженного материала развиваются любые структуры: почечные канальцы, стенка кишечника и т. п., в зависимости от места пересадки. Таким же образом ведут себя клетки будущих энтодермы и мезодермы. По мере развития организма усиливаются связи между клетками, возрастает их влияние друг на друга. Без взаимного влияния разных частей нормального развития зародыша не происходит. Так, если из бластулы выделить будущие энтодермальные и будущие эктодермальные клетки и культивировать их отдельно в искусственной среде, то и в том и в другом случае возникнут лишь отдаленно похожие на эпителий пласты клеток. Если же клетки будущей эктодермы и будущей энтодермы смешать и культивировать совместно, то благодаря взаимному влиянию групп клеток будут формироваться структуры, похожие на нервную трубку, хорду, мышцы и т. д. На стадии поздней гаструлы и нейрулы отдельные участки зародыша представляют собой сложные комплексы клеток со сложившимися взаимоотношениями. Взаимовлияние клеток настолько велико, что пересадка участка, состоящего из большого количества клеток, в любое другое место не изменит направления его развития: из кожной эктодермы разовьются производные эктодермы, из зачатка нервной трубки - нервная система и т. п. История эмбриологии сохранила сведения о многочисленных экспериментах по пересадке частей развивающихся зародышей. Среди них работы немецкого ученого Г. Шпемана и его последователей, которые установили, что если у зародыша на стадии гаструлы взять участок эктодермы, который должен развиться в нервную трубку, и пересадить его в зародыш на той же примерно стадии развития в эктодерму брюшной стороны другого зародыша, находящегося примерно на той же стадии развития, то в месте трансплантации начинает развиваться сначала нервная трубка, затем другие компоненты осевых органов. В результате в зародыше-хозяине возникает вторичный зародыш, который от первичного лишь незначительно отличается величиной. Г. Шпеман назвал это явление эмбриональной индукцией, во время которой трансплантат выступает в роли организатора, направляющего развитие окружающих клеток. В дальнейшем было обнаружено, что роль организатора могут играть не только определенные участки развивающихся зародышей, но и вещества самого различного происхождения. Ученые пришли к выводу, что эффект индукции на ранних этапах развития зародыша заключается в том, что клетки в месте трансплантации, поврежденные операции, выходят из-под контроля сложившихся клеточных взаимоотношений и начинают развиваться в направлении целого организма.

Один из наиболее ранних в развитии и известных случаев эмбриональной индукции - до сих пор один из наиболее впечатляющих и, несмотря на поразительный прогресс молекулярной эмбриологии, до сих пор таинственный. Если удалить зрительный пузырек, то хрусталик не образуется; если зрительный пузырек имплантировать под эпидермис в какой-либо другой части тела, даже в туловище, в этом месте индуцируется хрусталик.

ВОПРОС 35

Пороки развития в пренатальном периоде онтогенеза человека. Классификация пороков развития. Наследственные и ненаследственные пороки. Фенокопии.

Врожденными пороками развития называют такие структурные нарушения, которые возникают до рождения (в пренатальном онтогенезе), выявляются сразу или через некоторое время после рождения и вызывают нарушение функции органа. Врожденные пороки развития являются причиной приблизительно 20% смертей в неонатальном периоде, а также занимают значительное место в практике акушерства и гинекологии, медицинской генетике детской хирургии и ортопедии, патологической анатомии. В связи с этим знания по вопросам профилактики, этиологии, патогенеза, лечения и прогнозирования врожденных пороков развития имеют большое значение.

Знакомство с закономерностями и механизмами нормального морфогенеза в процессе эмбрионального развития позволяет понять, какого рода нарушения могут привести к возникновению пороков. Кроме того, пороки развития представляют собой как бы природные эксперименты, обнаруживающие скрытые от глаз процессы. Примером могут служить такие врожденные пороки развития, которые напоминают некоторые черты строения, свойственные другим видам взрослых позвоночных животных или их зародышам. Они позволяют осознать теснейшую эволюционно-биологическую связь человека с животными и использовать ее для иллюстрации закономерностей макроэволюции, а также для формирования естественно исторического взгляда на возникновение и развитие человека.

Существует несколько различных критериев, на основе которых классифицируют врожденные пороки развития. Основные из них: причина, стадия, на которой проявляется воздействие, последовательность их возникновения в организме, распространенность и локализация.

В зависимости от причины все врожденные пороки развития делят на:

Øнаследственные

Øэкзогенные (средовые)

Øмультифакториальные

Наследственными называют пороки, вызванные изменением генов или хромосом в гаметах родителей, в результате чего зигота с самого возникновения несет генную, хромосомную или геномную мутацию. Генетические факторы начинают проявляться в процессе онтогенеза последовательно, путем нарушения биохимических, субклеточных, клеточных, тканевых, органных и организменных процессов. Время проявления нарушений в онтогенезе может зависеть от времени вступления в активное состояние соответствующего мутированного гена, группы генов или хромосом. Последствия генетических нарушений зависят также от масштаба и времени проявления нарушений.

Экзогенными называют пороки, возникшие под влиянием тератогенных факторов (лекарственные препараты, пищевые добавки, вирусы, промышленные яды, алкоголь, табачный дым и др.), т.е. факторов внешней среды, которые, действуя во время эмбриогенеза, нарушают развитие тканей и органов.

Мультифакториальными называют пороки, которые развиваются под влиянием как экзогенных, так и генетических факторов. Вероятно, скорее всего, бывает так, что экзогенные факторы нарушают наследственный аппарат в клетках развивающегося организма, а это приводит по цепочке ген - фермент - признак к фенокопиям. Кроме того, к этой группе относят все пороки развития, в отношении которых четко не выявлены генетические или средовые причины.

В зависимости от стадии, на которой проявляются генетические или экзогенные воздействия, все нарушения, происходящие в пренатальном онтогенезе, подразделяют на гаметопатии, бластопатии, эмбриопатии и фетопатии. Если нарушения развития на стадии зиготы (гаметопатия) или бластулы (бластопатия) очень грубые, то дальнейшее развитие, видимо, не идет и зародыш погибает. Эмбриопатии (нарушения, возникшие в период от 15 суток до 8 недель эмбрионального развития) как раз составляют основу врожденных пороков (врожденные пороки сердца, центральной нервной системы, органов пищеварения, пороки развития почек, врожденные пороки лица). Фетопатии (нарушения, возникшие после 10 недель эмбрионального развития) представляют собой такие патологические состояния, для которых, как правило, характерны не грубые морфологические нарушения, а отклонения общего типа: в виде снижения массы, задержки интеллектуального развития, различных функциональных нарушений. Очевидно, что наибольшее клиническое значение имеют эмбриопатии и фетопатии.

В зависимости от последовательности возникновения различают первичные и вторичные врожденные пороки. Первичные пороки обусловлены непосредственным действием тератогенного фактора, вторичные - являются осложнением первичных и всегда патогенетически с ними связаны. Выделение первичных пороков из комплекса нарушений, обнаруженных у пациента, имеет большое значение для медико-генетического прогноза, поскольку риск определяется по основному пороку.

По распространенности в организме первичные пороки подразделяют на изолированные, или одиночные, системные, т.е. в пределах одной системы, и множественные, т.е. в органах двух систем и более. Комплекс пороков, вызванный одной ошибкой морфогенеза, называют аномаладом.

По клеточным механизмам, которые преимущественно нарушены при том или ином врожденном пороке развития, можно выделить пороки, возникшие в результате нарушения размножения клеток, миграции клеток или органов, сортировки клеток, дифференцировки, а также гибели клеток. Нарушение перечисленных клеточных механизмов может привести к слишком малым или, наоборот, слишком большим размерам органов или их частей, к недостаточному или, напротив, очень сильному рассасыванию тканей в органах, к изменению положения отдельных клеток, тканей или органов относительно других органов и тканей, к нарушениям дифференцировки, так называемым дисплазиям.

Принято выделять 4 типа врожденных пороков развития:

. Мальформация - морфологический дефект органа, части органа, или большого участка тела в результате внутреннего нарушения процесса развития (генетические факторы)

. Дизрупция - морфологический дефект органа, части органа или большого участка тела в результате внешнего препятствия или какого-либо воздействия на изначально нормальный процесс развития (тератогенные факторы и нарушение имплантации).

. Деформация - нарушение формы, вида или положения части тела, обусловленные механическими воздействиями.

. Дисплазия - нарушенная организация клеток в ткани и ее морфологический результат (процесс и следствие дисгистогенеза).

Фенокопии – это ненаследственное изменение генотипа, которое напоминает наследственные заболевания (увеличение щитовидной железы на территории, где в воде или земле не хватает йода).

ВОПРОС 37

Генетический гомеостаз, механизмы его поддержания. Нарушение генетического гомеостаза и его последствия

Генетический гомеостаз на молекулярно-генетическом, клеточном и организменном уровнях направлен на поддержание сбалансированной системы генов, содержащей всю биологическую информацию организма. Механизмы онтогенетического (организменного) гомеостаза закреплены в исторически сложившемся генотипе. На популяционновидовом уровне генетический гомеостаз - это способность популяции поддерживать относительную стабильность и целостность наследственного материала, которые обеспечиваются процессами редукционного деления и свободным скрещиванием особей, что способствует сохранению генетического равновесия частот аллелей.

ВОПРОС 39

Структурный гомеостаз. Регенерация, как процесс поддержания морфофизиологической целостности биологических систем. Виды, типы и способы регенерации.

Структурный гомеостаз основывается на механизмах регенерации, обеспечивающих морфологическое постоянство и целостность биологической системы на разных уровнях организации. Это выражается в восстановлении внутриклеточных и органных структур, путем деления и гипертрофии.

Множественный аллелизм. Группы крови человека. Наследование групп крови.

Множественный аллелизм — это существование в популяции более двух аллелей данного гена. В популяции оказываются не два аллельных гена, а несколько.

В 1900 - 1901 гг. австрийский ученый К. Ландштейнер открыл группы крови. В 1930 г. ему была присуждена Нобелевская премия за открытие групп крови человека. Эритроцит покрыт плазмалеммой толщиной около 7 нм, в которую встроеныантигены систем АВО и резус. В плазме крови каждого человека имеются антителапротив антигенов эритроцитов, которые не содержатся в его собственной крови. К. Ландштейнер описал четыре группы крови (табл. 24).

При смешивании крови, взятой у разных людей, часто происходит агглютинация (склеивание) эритроцитов в результате реакции антиген - антитело. В мембрануэритроцитов встроен целый ряд специфических полисахаридно - аминокислотных комплексов, обладающих антигенными свойствами. Эти комплексы называютсяагглютиногенами (гемагглютиногенами). С ними реагируют специфические антитела, растворенные в плазме, принадлежащие к фракции гамма - глобулинов -агглютинины (изогеммагглютинины). Предполагают, что при реакции антиген - антитело молекула антитела, обладающая двумя центрами связывания, образует мостик между двумя эритроцитами, каждый из которых в свою очередь связывается с другими эритроцитами, в результате чего происходит их склеивание. В норме в крови нет агглютининов к собственным эритроцитам.

В крови каждого человека содержится индивидуальный набор специфическихэритроцитарных агглютиногенов. В настоящее время выделено множество таких агглютиногенов, из них около 30 встречаются довольно часто и бывают причиной серьезных реакций при переливании крови.

В настоящее время известно около 400 антигенов, расположенных в мембране эритроцитов, из которых можно составить более 500 миллиардов комбинаций. Однако антигенные свойства большинства этих антигенов выражены слабо, и при переливании крови ими можно пренебречь.

По системе АВО эритроциты человека разделены на четыре различные по антигенному составу группы. Группа крови А, группа крови В и группа крови АВхаректеризуются наличием антигенов, обозначаемых соответствующими символами и отсутствием соответствующих антител. В эритроцитах группы крови О нет ни А-, ни В-антигенов, а плазма этой группы крови содержит как анти-А, так и анти-В-антитела.

В комплементарных хромосомах каждого человека содержатся два из трех аллельных генов (А, В и О), которые и определяют фенотипически выраженную группу крови. Аллели А и В являются доминантными, и поэтому группа крови О встречается только у гомозигот. Аллели А и В находятся в отношениях кодоминантности: при наличии обоих этих генов каждый из них проявляется фенотипически, не взаимодействуя друг с другом.

ВОПРОС 43

Хромосомная теория наследственности. Сцепление генов. Кроссинговер как механизм, определяющий нарушение сцепления генов

В 1900 г. независимо друг от друга три ботаника - Корренс, Г.де Фриз и Э.Чермакпереоткрыли в своих опытах те же законы, которые ранее были открыты Менделем. Его работу заново опубликовали в 1901 г.

Когда работа Менделя впервые увидела свет, слишком мало было известно про деление клеток. Поэтому гипотетические "наследственные факторы" Менделя трудно было сопоставить с какими-нибудь реальными клеточными структурами. Но в 1901 г. ситуация резко изменилась: ученые открыли хромосомы, изучили деление клеток, выяснили суть оплодотворения. Молодой сотрудник американского цитологаЭ.Вильсона - В.Сэттон в 1903 г. высказал предположение, что гены находятся в хромосомах. Действительно, Мендель предположил, что в гаметах есть одинарный набор "наследственных факторов", а в зиготах - двойной. Но как раз так и ведут себя хромосомы: в гаметах имеется одинарный набор хромосом, а в зиготах - двойной. Одновременно с В. Сэттоном то же предположение высказал немецкий биологО.Гертвиг.

Можно было думать, что гены, отвечающие за данный признак, лежат в гомологичных хромосомах. Такие гены наэываются аллельными генами, илиаллелями. Аллельные гены, если они лежат в гомологичных хромосомах, должны вести себя так же, как "наследственные факторы" Менделя. Точно так же второй закон Менделя о независимом наследовании разных признаков вполне соответствует гипотезе, что гены, определяющие такие признаки, находятся в хромосомах, причем разные гены - в разных хромосомах. Конечно, это была только гипотеза, которую следовало еще проверить и доказать В 1909 г. проверкой гипотезы о локализации генов в хромосомах занялся американский биолог Т.Г.Морган. Еще в работе Сэттона в 1903 г. была высказана важная идея, которая состояла в следующем: если гены действительно находятся в хромосомах, то второй закон Менделя (независимое наследование двух признаков) будет выполняться только для тех признаков, гены которых находятся в разных хромосомах. Но разных признаков у растений и животных очень много, а хромосом у большинства организмов относительно мало. Отсюда следует, что в одной хромосоме должно находиться много генов, отвечающих за разные признаки и эти гены должны наследоваться совместно. Значит, признаки должны наследоваться группами, а число групп равняться числу пар хромосом. Второй закон Менделя должен выполняться только для признаков, относящихся к разным группам (т.е. к тем, гены которых лежат в разных хромосомах).

Таким образом, из хромосомной гипотезы следовал ряд выводов, которые можно было проверить экспериментально.

Проверка этих предположений была выполнена Т.Морганом и его сотрудниками. В 1909 г., когда началась работа, эти сотрудники были очень молоды: К.Бриджесу было 20 лет, Г.Дж.Меллеру - 19 лет, а А.Стертеванту - 18. Опыты велись на плодовой мушке - дрозофиле (рис. 104). Когда было найдено достаточно много мутантов и получены линии мух, несущих ту или иную мутацию, были проведены опыты по скрещиванию их между собой. Прежде всего, Морган и его сотрудники действительно нашли признаки, которые наследовались совместно, т.е. были сцеплены. Например, у обычных, мух цвет тела серо-желтый (аллель В), но изредка встречались мухи с черным цветом тела (аллель b). У обычных мух крылья развиты нормально (аллель V), но были мутанты с недоразвитыми крыльями (аллель v). При скрещивании

Р BBVV х bbvv

F1 BbVv

гибриды первого поколения имели одинаковые генотипы и были нормальными по фенотипу (так как аллели В и V доминантные). Если бы гены В и V наследовались независимо, то при скрещивании гибридов первого поколения с мутантными мухами BbVv x bbvv (рис. 204) должно было бы получиться, что 1/4 мух имеет нормальный цвет тела и нормальные крылья, 1/4 мух - нормальный цвет тела, но недоразвитые крылья, 1/4 мух - нормальные крылья, но черный цвет тела и 1/4 мух - черный цвет тела и недоразвитые крылья.

Однако в действительности это скрещивание дало иные результаты: нормальных мух появилось гораздо больше 25%, точно также и мух, имеющих черный цвет тела и недоразвитые крылья, было гораздо больше 25%. Этот результат можно объяснить тем, что аллели BV находятся в одной хромосоме и попадают в гамету совместно, как и аллели bv (рис. 106, А). Тогда должно получиться 50% нормальных мух и 50% мух, несущих две мутации, т.е. таких мух действительно должно быть больше 25%. Таким образом, результаты опыта в основном объясняются предположением, что аллели окраски тела и формы крыльев лежат в одной хромосоме.

Почему же в опытах получилось не точно 50% нормальных мух, а меньше? Если бы такой результат был получен в одном опыте, можно было бы думать, что это следствие вероятностного характера распределения хромосом по дочерним клеткам. Однако процент нормальных мух в потомстве систематически был меньше 50% (как и процент мух с черным цветом тела и недоразвитыми крыльями). На первый взгляд этот результат представляется достаточно удивительным. Ведь если оба доминантных аллеля лежат в одной хромосоме, то, казалось бы, они не должны разлучаться, и особи с нормальными крыльями (доминантный признак), но с черным телом (рецессивный признак) возникать не могут. Но поскольку в эксперименте они возникают, это означает, что два гена, которые были в одной хромосоме, могут как-то оказаться в разных хромосомах.

Морган и его сотрудники предположили, что особи с генотипами Bbvv и bbVv появляются в результате перекреста гомологичных хромосом в точке, расположенной между генами В и V, причем при таком перекресте хромосомы обмениваются своими участками (рис. 112). Обмен участками происходит в процессе мейоза. Сам процесс обмена участками хромосом при перекресте был назван кроссинговером. Работы генетиков показали, что кроссинговер встречается не только у дрозофил, но и у кукурузы, львиного зева, мышей и у других организмов.

Результаты многочисленных опытов по изучению наследования разных пар признаков сначала показали, что существуют три группы признаков. Признаки, входящие в одну группу, наследуются совместно (говорят, что они образуют группу сцепления), а входящие в разные группы, наследуются независимо друг от друга. Но в 1914 г. Г.Дж.Меллер, молодой выпускник университета, работавший в лаборатории Моргана, открыл четвертую группу сцепления. А у дрозофилы всего четыре пары хромосом: три больших хромосомы (для них группы сцепления нашли быстрее) и четвертая маленькая. Коротко результаты Моргана можно выразить так: у дрозофил было обнаружено четыре группы сцепления. Легко понять, что число групп сцепления равно числу хромосом в гаплоидном наборе. Таким образом, у дрозофилы 4 группы сцепления, у гороха - 7, у кукурузы - 10, у мыши - 20, у человека - 24 группы сцепления и т.д.

ВОПРОС 45

Изменчивость, её виды. Фенотипическая изменчивость. Норма реакции признака. Экспрессивность и пенетрантность признака

Изменчивость - это явление, противоположное наследственности. Изменчивость заключается в изменении наследственных задатков, а также в вариабельности их проявлений в процессе развития организмов при взаимодействии с внешней средой. В настоящее время феногенетики выделяют два класса изменчивости: ненаследственную (или модификационную), которая не передается из поколения в поколение, и наследственную, которая передается из поколения в поколение.

В свою очередь, наследственная изменчивость также бывает двух классов: комбинативная (рекомбинационная) и мутационная. Изменчивость первого класса определяют три механизма: случайные встречи гамет при оплодотворении; кроссинговер, или мейотическая рекомбинация (обмен равными участками между гомологичными хромосомами в профазе первого деления мейоза); независимое расхождение гомологичных хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток в ходе митоза и мейоза. Изменчивость второгокласса обусловлена точковыми, хромосомными и геномными мутациями.

Модификационная изменчивость - это эволюционно закрепленные реакции организма на изменения условий внешней среды при неизменном генотипе. Такой тип изменчивости имеет две главные особенности. Во- первых, изменения затрагивают большинство или все особи в популяции и у всех них проявляются одинаково. Во-вторых, эти изменения обычно имеют приспособительный характер. Как правило, модификационные изменения не передаются следующему поколению. Классический пример модификационной изменчивости дает растение стрелолист, у которого надводные листья приобретают стреловидную форму, а подводные - лентовидную.

Если у гималайского кролика на спине удалить белую шерсть и поместить его в холод, на этом месте вырастет черная шерсть. Если черную шерсть удалить и наложить теплую повязку, вырастет белая шерсть. При выращивании гималайского кролика при температуре 30*С вся шерсть у него будет белая. У потомства двух таких белых кроликов, выращенного в нормальных условиях, появится "гималайская", окраска. Такая изменчивость признаков, вызванная действием внешней среды и не передающаяся по наследству, называется модификационной. Примеры модификационной изменчивости приведены на рис. 12.

Обычно, говоря о модификационных изменениях, имеют в виду морфологические изменения (например, изменение формы листьев) или изменения окраски (некоторые примеры приведены в п. Влияние генотипа и среды на фенотип). Однако нередко в эту группу включают и физиологические реакции. Регуляция работы генов лактозного оперона кишечной палочки представляет собой пример такой физиологической реакции. Напомним, в чем она состоит. При отсутствии в среде обитания бактерий глюкозы и при наличии лактозы бактерия начинает синтезировать ферменты для переработки этого сахара. Если же в среде появляется глюкоза, эти ферменты исчезают и бактерия возвращается к стандартному обмену веществ.

Другой пример физиологической реакции - увеличение числа эритроцитов в крови у человека, поднявшегося в горы. Когда человек спускается вниз, где содержание кислорода нормально, число эритроцитов возвращается к норме.

В обоих примерах модификационные изменения имеют ясно выраженный приспособительный характер, поэтому их часто называют физиологическими адаптациями.

Большинство модификаций не наследуется. Однако известны и длительные модификационные изменения, сохраняющиеся и в следующем поколении (иногда даже в нескольких поколениях). Каков может быть их механизм? Как могут сохраняться на протяжении нескольких поколений изменения, которые обусловлены воздействием внешней среды, и не связаны с изменениями генотипа?

Рассмотрим один из возможных вариантов механизма такой длительной модификации. Вспомним, что в оперонах бактерий, кроме структурных генов, есть особые участки - промотор и оператор. Оператор - участок ДНК, который находится между промотором и структурными генами. Оператор может быть связан с особым белком - репрессором, который не дает двигаться РНК-полимеразе по цепи ДНК и препятствует синтезу ферментов. Таким образом, гены могут включаться и выключаться в зависимости от наличия в клетке соответствующих белков-репрессоров. Представим себе два таких оперона, у которых один из структурных генов первого оперона кодирует белок-репрессор для второго оперона, а один из структурных генов второго оперона кодирует белок-репрессор для первого оперона (рис. 123). Если включен первый оперон, то заблокирован второй, и наоборот. Такое устройство с двумя состояниями называется триггером. Представим себе, что какие-то воздействия внешней среды переключили триггер из первого состояния во второе. Тогда это состояние может наследоваться. В яйцеклетке будут находиться белки-репрессоры, которые не дают триггеру переключаться. Однако при изменении условий среды, проникновении в клетку каких-то веществ, которые уберут белок-репрессор, триггер переключится из второго состояния в первое.

Такой механизм длительной модификации не является придуманным, он существует, например, у некоторых фагов. Если фаги попадают в клетку, где для них мало питательных веществ, они находятся в одном состоянии - не размножаются, а только передаются при делении клетки в дочерние. Если же в клетке возникнут благоприятные условия, фаги начинают размножаться, разрушают клетку-хозяина и выходят из нее в окружающую среду. Переключение фагов из одного состояния в другое осуществляется с помощью молекулярного триггера.

Модификационная изменчивость не затрагивает наследственной основы организма - генотип и поэтому не передается от родителей потомству.

Еще одна особенность модификационной изменчивости - ее групповой характер. Определенный фактор внешней среды вызывает сходное изменение признаков у всех особей данного вида, породы или сорта: под воздействием ультрафиолетовых лучей все люди загорают, все растения белокочанной капусты в жарких странах не образуют кочана. При этом, в отличие от мутаций, модификации направленны, имеют приспособительное значение, происходят закономерно, их можно предсказать. Если листья на деревьях уже распустились, а ночью были заморозки, то утром листья у деревьев примут красноватый оттенок. Если мышей, которые жили на равнинах вблизи гор, переселить в горы, то у них повысится содержание гемоглобина в крови.

Благодаря возникновению модификаций особи непосредственно (адекватно) реагируют на изменение условий среды и лучше приспосабливаются к ней, что дает возможность выжить и оставить потомство.

У прокариот

Модификация есть результат пластичности клеточного метаболизма, приводящего к фенотипическому проявлению "молчащих" генов в конкретных условиях. Таким образом, модификационные изменения имеют место в рамках неизменного клеточного генотипа.

Существует несколько типов модификационных изменений. Наиболее известны адаптивные модификации, т.е. ненаследственные изменения, полезные для организма и способствующие его выживанию в изменившихся условиях. Причины адаптивных модификаций кроются в механизмах регуляции действия генов. Адаптивной модификацией является адаптация клеток Е.coli к лактозе как новому субстрату. У ряда бактерий обнаружена универсальная адаптивная реакция в ответ на различные стрессовые воздействия (высокие и низкие температуры, резкий сдвиг рН и др.), проявляющаяся в интенсивном синтезе небольшой группы сходных белков. Такие белки получили название белков теплового шока, а само явление - синдром теплового шока. Стрессовое воздействие на бактериальную клетку вызывает ингибирование синтеза обычных белков, но индуцирует синтез небольшой группы белков, функция которых предположительно заключается в противодействии стрессовому воздействию путем защиты важнейших клеточных структур, в первую очередь нуклеоида и мембран. Еще не ясны те регуляторные механизмы, которые запускаются в клетке при воздействиях, вызывающих синдром теплового шока, но очевидно, что это универсальный механизм неспецифических адаптивных модификаций.

Не все модификации обязательно адаптивны. При интенсивном действии многих агентов наблюдаются ненаследуемые изменения, случайные по отношению к вызвавшему их воздействию. Они проявляются только в условиях, которые их вызывают. Причины появления таких фенотипически измененных клеток связаны с ошибками процесса трансляции, вызванными этими агентами.

Таким образом, модификационная изменчивость не затрагивает генетической конституции организма, т.е. не является наследственной. В то же время она вносит определенный вклад в процесс эволюции. Адаптивные модификации расширяют возможности организма к выживанию и размножению в более широком диапазоне условий внешней среды. Возникающие в этих условиях наследственные изменения подхватываются естественным отбором и таким путем происходит более активное освоение новых экологических ниш и достигается более эффективная приспособляемость к ним.

Норма реакции- набор фенотипов, образуемых данным генотипом в различных условиях окружающей среды.

Живые организмы постоянно испытывают влияние разнообразных факторов среды, в которой они обитают. При этом количественные признаки (масса тела крупного рогатого скота, молочность коров, яйценоскость кур и т.п.) в большей степени подвержены влиянию среды, чем качественные признаки (цвет глаз, масть животных, форма и окраска цветков и т.п.). Так, хорошо известно, что надой молока (количественный признак) в сильной степени зависят от условий содержания и кормления коров. Однако и генотип оказывает существенное влияние на развитие этого признака. Существуют малопродуктивные породы, дающие в естественных условиях 1000-1200 кг молока в год, и высокопродуктивные, дающие 4000 кг молока и больше. Улучшение кормления и содержания животных может резко повысить удои молока у малопродуктивных пород (до 2500 кг). Наоборот, ухудшение условий может привести к тому, что ценные породы снизят свою продуктивность до 2000 кг и ниже. Однако, как ни улучшай условия содержания малопродуктивных пород, не удастся поднять их удои до 4000- 5000 кг молока. Таким образом, признаки развиваются в результате взаимодействия генотипа и среды. Пределы изменчивости признака называют его нормой реакции. Иначе говоря, наследуется не признак как таковой, а способность организма (его генотипа) в результате взаимодействия с условиями среды давать определенный фенотип. Широкая норма реакции в природных условиях имеет важное значение для сохранения и процветания вида.

Экспрессивность- степень фенотипического проявления признака.

Пенетрантность- доля индивидуумов с определенным генотипом, которые проявляют признак, ожидаемый на основе этого генотипа.

ВОПРОС 47

Генотипическая изменчивость. Мутации, их классификация и механизмы возникновения. Медицинское и эволюционное значение мутаций.

К наследственной изменчивости относят такие изменения признаков организма, которые определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений. Наследственная изменчивость слагается из мутационной и комбинативной изменчивости.

Сущность комбинативной изменчивости состоит в том, что при слиянии двух гамет, отличающихся друг от друга по составу генов, образуются новые комбинации генов, которых не было у родителей. Различные сочетания генов в генотипе гибридных поколений приводят к появлению у них новых фенотипов. Вот почему дети почти никогда не повторяют отца или мать, каждый ребенок генетически уникален, так как он получил свой генотип из комбинации генов обоих родителей. Важнейший источник комбинативной изменчивости - независимое расхождение гомологичных хромосом в мейозе I. Рекомбинация генов, основанная на явлении перекреста хромосом, - второй источник комбинативной изменчивости. Третий источник - случайное сочетание гамет при оплодотворении; четвертый - взаимодействие генов

Мутации - это изменения генов и хромосом, фенотипически проявляющиеся в изменении свойств и признаков организмов. Мутагенез - процесс образования мутаций во времени и пространстве.

Мутации характерны для всех живых существ, включая человека, у которого они сопровождаются наследственными болезнями. Мутантные организмы могут отличаться от исходных (организмов дикого типа) по самым различным свойствам - морфологическим, физиологическим, биохимическим и др. Например, у микроорганизмов мутации сопровождаются изменением формы колоний, питательных потребностей, отношения к лекарственным веществам и т. д. У насекомых мутанты отличаются от исходных организмов по форме и окраске тела, крыльев, конечностей, глаз, реакции на свет, серологическими свойствами и т. д. У человека мутации приводят к различным отклонениям от нормы и сопровождаются наследственной патологией (см. гл. VIII). Но важно помнить, что мутанты остаются организмом того же вида, что и организм дикого типа, из которого они произошли.

Мутации следует отличать от фенокопий, которые продуцируются факторами среды. Мимикрируя действие генов, они не передаются по наследству. Например, если беременных мышей экспонировать к пониженному атмосферному давлению, то некоторые из особей в пометах таких мышей будут иметь повреждения в мочеполовом тракте, но не передающиеся, однако, по наследству. В случае челове-

ка фенокопиями можно считать, например, ненаследуемые повреждения скелета и слепоту, вызываемые ядами и другими вредными факторами воздействия.

Мутации возникают на всех стадиях индивидуального развития организмов и поражают гены и хромосомы как в половых клетках, причем до оплодотворения и после оплодотворения (после первого деления оплодотворенных яйцеклеток), так и в соматических, причем в любой фазе клеточного цикла. Поэтому по типу клеток, в которых возникают мутации, различают генеративные и соматические мутации (соответственно).

Генеративные мутации происходят в генитальных и половых клетках. Если мутация (генеративная) осуществляется в генитальных клетках, то мутантный ген могут получить сразу несколько гамет, что увеличит потенциальную способность наследования этой мутации несколькими особями (индивидуумами) в потомстве. Если мутация произошла в гамете, то, вероятно, лишь одна особь (индивидуум) в потомстве получит этот ген. На частоту мутаций в половых клетках оказывает влияние возраст организма.

Соматические мутации встречаются в соматических клетках организмов. У животных и человека мутационные изменения будут сохраняться только в этих клетках. Но у растений из-за их способности к вегетативному размножению мутация может выйти за пределы соматических тканей. Например, знаменитый зимний сорт яблок «делишес» берет начало от мутации в соматической клетке, которая в результате деления привела к образованию ветки, имевшей характеристики мутантного типа. Затем следовало вегетативное размножение, позволившее получить растения со свойствами этого сорта.

По типу наследования различают доминантные, полудоминантные, кодоминантные и рецессивные мутации. Доминантные мутации характеризуются непосредственным влиянием на организм, полу- доминантные мутации заключаются в том, что гетерозиготная форма по фенотипу является промежуточной между формами АА и аа, а для кодоминантных мутаций характерно то, что у гетерозигот A₁A₂ проявляются признаки обоих аллелей. Рецессивные мутации отсутствуют у гетерозигот.

Если доминантная мутация встречается в гаметах, ее эффекты выражаются непосредственно в потомстве. Многие мутации у человека являются доминантными. Они часты у животных и растений.

Например, генеративная доминантная мутация дала начало анконской породе коротконогих овец.

Примером полудоминантной мутации может служить мутационное образование гетерозиготной формы Аа, промежуточной по фенотипу между организмами АА и аа. Это имеет место в случае биохимических признаков, когда вклад в признак обоих аллелей одинаков.

Примером кодоминантной мутации являются аллели 1^А и 1^В, детерминирующие группу крови IV у человека.

В случае рецессивных мутаций их эффекты скрыты в диплоидах. Они проявляются лишь в гомозиготном состоянии. Примером служат рецессивные мутации, детерминирующие генные болезни человека.

Таким образом, к главным факторам в детерминировании вероятности проявления мутантного аллеля в организме и популяции относится не только стадия репродуктивного цикла, но и доминантность мутантного аллеля.

В зависимости от локализации в клетках различают генные (точечные), хромосомные и геномные мутации.

I

Генные мутации заключаются в изменениях индивидуальных генов. Поэтому их еще называют точечными мутациями и классифицируют на односайтовые и многосайтовые. Односайтовая мутация затрагивает один сайт, многосайтовая - несколько сайтов генного локуса. Некоторые сайты являются «горячими точками», так как в них происходят концентрированные мутации, что связано с наличием в нуклеотидных последовательностях модифицированных оснований. Последние подвергаются частому дезаминирова-нию, а это ведет к изменениям в последовательностях оснований (см. ниже).

Генные мутации классифицируют также на прямые и обратные (реверсивные), которые одинаково встречаются у организмов всех систематических групп.

Прямые мутации - это те, что инактивируют гены дикого типа, т. е. мутации, которые изменяют информацию, закодированную в ДНК, прямым образом, в результате чего изменение от организма исходного (дикого) типа идет к организму мутантного типа.

Обратные мутации представляют собой реверсии к исходным (диким) типам от мутантных. Эти реверсии бывают двух типов. Первые обусловлены повторными мутациями аналогичного сайта или локуса и их называют истинными обратимыми мутациями. Вторые реверсии представляют собой мутации в каком-то другом гене, которые изменяют выражение мутантного гена в сторону исходного типа, т. е. повреждение в мутантном гене сохраняется, но он как бы восстанавливает свою функцию. Такое восстановление (полное или частичное) фенотипа, вопреки сохранению первоначального генетического повреждения (мутации), получило название супрессии, а обратные мутации называются супрессорными (внегенными). Как правило, супрессия происходит в результате мутаций генов, кодирующих синтез тРНК и рибосом.

Большинство генов довольно устойчивы к мутациям, однако известны гены, которые мутируют очень часто.

Спонтанные замены азотистых оснований возникают в ДНК в результате «ошибок», совершаемых ДНК-полимеразой и сопровождающихся неправильным спариванием оснований. Одно из объяснений этой «ошибочности» было дано Д. Уотсоном и Ф. Криком еще в 1953 г. и сводится к признанию в ошибочном спаривании роли аутомерных форм (структур, в которых протон перешел на место, противоположное обычной водородной связи) естественных основа-

ний. Следовательно, структурные основы для мутаций в виде замен оснований обеспечивают таутомеры естественных оснований.

Хромосомные мутации связаны с изменениями числа и структуры хромосом.

Изменения в числе хромосом определяются добавлением или уменьшением всего набора хромосом, ведущим к полиплоидии или гаплоидии (соответственно), а также добавлением или удалением одной или больше хромосом из набора, что ведет к гетероплоидии или анеуплоидии (моносомии, трисомии и другим полисомиям), тогда как изменения в структуре хромосом определяются перестройками (аберрациями) их структуры.

Мутации, поражающую структуры хромосом, называют хромосомными перестройками или чаще аберрациями. Среди мутаций, затрагивающих структуры хромосом, различают делеции, дубликации, инверсии и транслокации.

Спонтанными называют генные и хромосомные мутации, возникающие в нормальных (природных) условиях, на первый взгляд, без видимых причин, тогда как индуцированными называют те мутации, которые возникают в результате экспонирования клеток (организмов) к мутагенным факторам.

Спонтанные мутации возникают самопроизвольно и имеют случайный (ненаправленный) характер во времени и пространстве. Наиболее существенная особенность этих мутаций заключается в том, что они, вероятно, возникают в условиях природного радио-активного фона Земли (космическое излучение, радиоактивные элементы на поверхности Земли, радионуклиды, инкорпорированные в организмы) в результате нормальных процессов, протекающих в клетках, в частности, в результате ошибок репликации, когда ошибочно включается какой-либо нуклеотид и при этом имеется недостаток в «редактирующем» механизме, что исключает коррекцию ошибок. Ошибки могут быть связаны также с химической нестабильностью нуклеотидов. Например, цитозин может быть дезаминирован в урацил, который затем распознается как тимин в течение репликации ДНК. Их частоты у организмов всех видов исключительно малы. Определение частот спонтанных мутаций организмов разных видов основывается на данных о средних частотах мутаций по многим сайтам и должно отражать все изменения в последовательностях оснований ДНК в исследуемом генетическом районе. При этом средние мутационные частоты должны определяться измерением прямых мутаций в пределах разных генов, которые очень чувствительны к мутациям, независимо от того, являются ли условия для организмов ограничивающими или селективными.Частоту спонтанных мутаций определяют сравнением клеток или популяций организмов, обработанных и необработанных мута- геном. Если частота мутации в популяции повышается в результате обработки мутагеном в 100 раз, то считают, что лишь один мутант в популяции будет спонтанным.

Поиск по сайту: