biologia

ВВЕДЕНИЕ

Термин «биология» впервые был предложен французским ученым Ж.Б. Ламарком в 1802 году. Этот термин состоит из двух слов греческого происхождения: bios – жизнь; logos – учение. Таким образом, биология – это учение о жизни.

Биология – наука, изучающая закономерности возникновения и развития жизни на Земле.

Что же такое «жизнь»?

Впервые научное определение жизни было дано Ф. Энгельсом в 1878 году:

«Жизнь – это есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных этих тел».

«...жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей средой, причем с прекращением этого обмена прекращается и жизнь».

Из определения жизни, данного Ф. Энгельсом, вытекают три положения:

1.Материальным субстратом (носителем) жизни являются белковые тела (под "белковым телом" он понимал не белки, а сложные химические образования).

2.Жизнь рассматривается как особая форма движения материи, которая заключается в обмене веществ.

3.Подчеркивается неразрывная связь живых существ с окружающей средой.

Определение жизни Энгельса не утратило своей актуальности и по сей день. Однако за период времени, прошедший с тех пор, учеными было сделано много открытий в области биологии и других наук, которые позволили глубже понять сущность жизни. В частности, удалось уточнить субстрат жизни. Сегодня под материальным носителем (субстратом) жизни понимают комплекс, состоящий из двух биополимеров: белков и нуклеиновых кислот.

С точки зрения кибернетики, живые организмы рассматриваются как открытые саморегулирующиеся системы, которые обмениваются с окружающей средой тремя потоками: вещества, энергии и информации.

Для характеристики живых организмов как открытых систем используется 2-й закон термодинамики, согласно которому в неживой природе разнообразные процессы идут всегда в одном направлении – все виды энергии переходят в конечном итоге в тепловую, которая равномерно распределяется между всеми телами, т.е. происходит увеличение энтропии. Поэтому энтропию рассматривают как меру упорядоченности (структурированности) живых систем.

Все живые организмы имеют низкую энтропию, так как обладают высокой структурированностью на протяжении всей жизни. Снижение энтропии в живых организмах достигается за счет постоянного извлечения энергии из окружающей среды. При этом энтропия в окружающей среде повышается.

Академик В.И. Вернадский рассматривал жизнь как явление биосферное: «Вне биосферы мы

жизнь научно не знаем и ее проявления научно не видим».

Профессор М.М. Камшилов, основываясь на учении Вернадского, характеризует жизнь как биотический круговорот веществ, а живые организмы выступают в качестве отдельных звеньев этого круговорота.

Свойства жизни (фундаментальные):

самообновление;

самовоспроизведение;

саморегуляция.

На этих трех свойствах основаны все проявления жизни:

обмен веществ и энергии;

строгая упорядоченность биохимических реакций во времени и пространстве;

структурированность живых объектов;

раздражимость – способность давать ответную реакцию на действие факторов внешней среды;

размножение;

гомеостаз;

наследственность и изменчивость;

индивидуальное и филогенетическое развитие;

дискретность и целостность.

Уровни организации жизни

Несмотря на огромное многообразие форм проявлений жизни, ученые выделяют несколько уровней ее организации. Каждый уровень организации жизни характеризуется специфическими элементарными структурами и специфическими элементарными явлениями.

Молекулярно-генетический уровень

На этом уровне наблюдается удивительное однообразие структур и явлений. Белки всех живых организмов построены из 20 одних и тех же аминокислот. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), углеводы и липиды также имеют у всех живых организмов сходное строение.

Единицей наследственной информации является ген – определенная последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Специфические элементарные явления этого уровня: самоудвоение (репликация) молекулы ДНК, изменение строения молекулы ДНК (мутация), способность передачи информации с помощью матричного синтеза.

Клеточный уровень

Элементарной структурой является клетка, а элементарными явлениями – реакции клеточного обмена веществ.

Онтогенетический уровень

Элементарной структурной единицей является отдельная особь, или организм. Организм рассматривается на протяжении всего периода его существования (онтогенеза).

Элементарное специфическое явление – процесс реализации наследственной информации, закодированной в молекулах ДНК, в признаки и свойства отдельной особи, протекающий в определенных условиях окружающей среды (процесс превращения генотипа в фенотип).

Популяционно-видовой уровень

Элементарной единицей этого уровня является популяция. Популяция – форма существования любого вида.

В качестве элементарного специфического явления на этом уровне выступает элементарное эволюционное явление – длительное изменение генотипического состава (генофонда) популяции, которое возникает в результате действия на популяцию элементарных эволюционных факторов: естественного отбора, популяционных волн, изоляции, мутационного процесса, дрейфа генов.

Биогеоценотический уровень

Элементарной специфической единицей этого уровня является биогеоценоз – исторически сложившееся на определенной территории сообщество животных и растительных организмов, тесно взаимодействующее с окружающей его средой.

Элементарные специфические явления – круговорот веществ и превращение энергии в биогеоценозах.

Биосферный (глобальный) уровень

Этот уровень объединяет все предыдущие уровни. Все круговороты веществ отдельных биогеоценозов составляют единый глобальный круговорот веществ.

Наиболее общие методы, используемые в биологии

Описательный (самый древний). Состоит в описании существующих проявлений жизни, собирании фактов.

Сравнительный. Основан на изучении сходства путем сопоставления отдельных организмов.

Исторический. Выясняет закономерности появления и развития организмов в становлении отдельных систем, органов и тканей.

Экспериментальный. Основан на постановке экспериментов. Позволяет изучать те или иные явления вне организма (изолированно).

Философской основой познания является метод диалектического материализма. Согласно

этому методу, все явления в природе следует рассматривать в неразрывной связи, в развитии, в динамике. Данный метод вскрывает причинно-следственные связи.

Место биологии в системе подготовки врача

Врач, академик И.В. Давыдовский писал: «Медицина, взятая в плане общей теории, – это прежде всего биология». Такое утверждение основано на следующем.

1.Развитие медицины во многом связано с достижениями в области биологии:

Исследования Луи Пастера (1862) показали невозможность самопроизвольного зарождения жизни. Он доказал, что гниение и брожение происходят благодаря наличию микроорганизмов. На основе исследований Пастера возникло в хирургии учение об асептике и антисептике.

Исследования И.И. Мечникова (1845 – 1916), изучавшего внеклеточное пищеварение у кишечнополостных, позволили открыть фагоцитоз и стали основой для создания учения об иммунитете.

Д.И. Ивановский (1864 – 1920) открыл вирус табачной мозаики и положил начало вирусологии и изучению целой группы заболеваний, вызываемых вирусами.

М. Шлейден и Т. Шванн создали клеточную теорию и положили тем самым начало изучению патологии на клеточном уровне.

2.Объектом медицины является человек – существо биолого-социальное. Все структуры и функции человека являются результатом длительного исторического развития предшествующих форм жизни, поэтому многие пороки его развития имеют филогенетическую обусловленность. Следовательно, врачи должны хорошо представлять филогенез всех систем органов человека.

3.Известно более 4000 заболеваний, которые имеют отношение к наследственности полностью или частично. Поэтому врач должен хорошо знать закономерности наследственности и изменчивости, которые изучаются в курсе биологии.

4.Здоровье человека сегодня в большой степени зависит от состояния окружающей среды. Наука, изучающая взаимодействие организма с окружающей средой, – экология – также является частью биологии.

5.В курсе биологии изучаются закономерности регенерации и трансплантации, которые должны знать врачи всех специальностей.

6.Раздел практической медицины – медицинская паразитология – изучается только в курсе

биологии.

7.На основе биологических наук возникли и развиваются медицинские науки. Так, на базе анатомии, цитологии и гистологии возникла патологическая

анатомия; на базе физиологии, иммунологии и биохимии – патологическая физиология; физиология и биохимия послужили основой терапии.

Г Е Н Е Т И К А

Генетика – наука, которая изучает закономерности наследственности и изменчивости.

Наследственность – свойство всех живых организмов передавать особенности своего строения и развития потомкам.

Изменчивость – свойство всех живых организмов изменять наследственную информацию, полученную от родителей, а также процесс ее реализации в ходе индивидуального развития

(онтогенеза). Изменчивость – это свойство, противоположное наследственности. Эти два понятия тесно связаны друг с другом.

Термин «генетика» впервые был предложен в 1906 году английским ученым У. Бэтсоном, однако история развития этой науки своими корнями уходит в далекое прошлое.

Всю историю развития генетики можно условно разделить на четыре этапа:

1.Существование умозрительных гипотез о природе наследственности.

2.Открытие основных законов наследственности.

3.Изучение наследственности на клеточном уровне.

4.Изучение наследственности на молекулярном уровне.

Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала

В наследственной структуре клетки и организма в целом выделяют три уровня организации генетического материала: генный, хромосомный и геномный.

Генный уровень

Наименьшей (элементарной) единицей наследственного материала является ген.

Ген – это часть молекулы ДНК, имеющая определенную последовательность нуклеотидов и представляющая собой единицу функционирования наследственного материала.

Ген несет информацию о конкретном признаке или свойстве организма. У человека имеется около 30 тысяч генов.

Изменение в структуре гена ведет к изменению соответствующего признака. Следовательно, на генном уровне обеспечиваются индивидуальное наследование и индивидуальная изменчивость признаков.

Хромосомный уровень

Все гены в клетке объединены в группы и располагаются в хромосомах в линейном порядке. Каждая хромосома уникальна по набору входящих в нее генов. В состав хромосом входят ДНК, белки (гистоновые и негистоновые), РНК, полисахариды, липиды и ионы металлов.

Хромосомный уровень в эукариотических клетках обеспечивает характер функционирования отдельных генов, тип их наследования и регуляцию их активности. Он позволяет закономерно воспроизводить и передавать наследственную информацию в процессе деления клетки.

Геномный уровень Геном – совокупность всех генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом. При

оплодотворении два генома родительских гамет сливаются и образуют генотип.

Генотип – совокупность всех генов, заключенных в диплоидном наборе хромосом, или кариотипе. Кариотип – полный набор хромосом, характеризующийся у каждого вида их строго определенным числом и строением.

Геномный уровень отличается высокой стабильностью. Он обеспечивает сложную систему взаимодействия генов. Результатом взаимодействия генов друг с другом и с факторами внешней среды является фенотип.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Ген как элементарная единица наследственной информации выполняет определенные функции и обладает определенными свойствами.

Функции генов:

хранение наследственной информации;

управление биосинтезом белка и других веществ в клетке;

контроль за развитием и старением клетки.

Свойства генов:

дискретность: один ген контролирует один признак;

специфичность: каждый ген отвечает строго за свой признак;

стабильность структуры: гены передаются из поколения в поколение не изменяясь;

дозированность действия: один ген определяет одну дозу фенотипического проявления признака;

способность к мутированию (изменению структуры);

способность к репликации (самоудвоению);

способность к рекомбинации (переходу из одной гомологичной хромосомы в другую).

Функциональная классификация генов

Все гены делятся на три группы:

cтруктурные – контролируют развитие признаков путем синтеза соответствующих ферментов;

регуляторные – управляют деятельностью структурных генов;

модуляторные – смещают процесс проявления признаков в сторону его усиления или ослабления, вплоть до полной блокировки.

Особенности строения генов у прокариотических и эукариотических клеток

Клетки в природе делятся на прокариотические и эукариотические. У прокариот ген имеет непрерывную структуру, т.е. представляет собой часть молекулы ДНК.

У эукариот ген состоит из чередующихся участков: экзонов и интронов. Экзон – информативный участок, интрон – неинформативный. Число интронов у разных генов неодинаково (от

1 до 50).

Экспрессия (проявление действия) гена в процессе синтеза белка

Весь процесс синтеза белка условно делится на три этапа: транскрипция,

процессинг и трансляция.

1. Транскрипция

Транскрипция – процесс переписывания информации с молекулы ДНК на и-РНК. Протекает в

ядре.

Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Каждая нить представлена последовательностью нуклеотидов, а каждый нуклеотид состоит из углевода (пентозы), азотистого основания и остатка фосфорной кислоты.

Каждая нить молекулы ДНК имеет два конца – гидроксильный (3 ) и фосфатный (5 ). Нити расположены по отношению друг к другу антипараллельно.

Синтез и-РНК в клетке всегда идет от фосфатного конца к гидроксильному. Поэтому матрицей для транскрипции служит одна нить ДНК, обращенная к синтезирующему ферменту своим гидроксильным концом; она называется кодогенной, или информативной (а другая нить, соответственно, некодогенной, или неинформативной).

Транскрипция делится на три периода:

инициация,

элонгация,

терминация.

Инициация –

начало синтеза и-РНК.

Синтез и-РНК осуществляется при помощи фермента – РНК-полимеразы. У прокариот имеется только один вид этого фермента, у эукариот – пять видов. Сущность инициации состоит в том, что фермент РНК-полимераза отыскивает в молекуле ДНК стартовую область – промотор и прикрепляется к ней. Это происходит в течение 15-20 секунд.

Элонгация –

синтез молекулы и-РНК из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности: аденину соответствует урацил, а цитозину – гуанин. За 1 секунду выстраивается около 50 нуклеотидов. Синтез и-РНК одновременно протекает в нескольких участках молекулы ДНК. Образующиеся фрагменты называются транскриптоны. В последующем они объединяются.

Терминация –

завершение синтеза и-РНК.

Происходит тогда, когда РНК-полимераза встречается с особым участком молекулы ДНК –

терминатором.

У прокариот в роли терминатора выступают участки молекулы ДНК, имеющие «симметричное» строение – они одинаково читаются в обе стороны от центра. Такие участки называются палиндромами. Фрагмент и-РНК, синтезированный на таком участке, в последующем складывается вдвое в виде шпильки. Образование "шпильки"является сигналом для завершения синтеза и-РНК. У эукариот "шпильки" не образуются. Вероятно, терминация у них протекает иначе.

2. Процессинг

Процессинг включает целый ряд преобразований и-РНК, необходимых для ее нормального функционирования:

1. Образование колпачка (КЭПа) на фосфатном конце.

Колпачок – это трифосфонуклеозид, содержащий гуанин. С помощью колпачка и-РНК отыскивает в цитоплазме малую субъединицу рибосомы.

2.Метилирование азотистых оснований.

3.Удаление части нуклеотидов на гидроксильном конце.

4.Присоединение на гидроксильном конце poli-А (100-200 остатков адениловой кислоты). Это образование выполняет стабилизирующую функцию и обеспечивает транспорт и-РНК из ядра в цитоплазму.

5.Сплайсинг – процесс удаления интронов и сшивания экзонов.

Ядерная и-РНК является точной матрицей молекулы ДНК. Она содержит как экзоны, так и интроны, поэтому называется незрелой, или юной. После прохождения сплайсинга она становится

зрелой.

Сплайсинг присущ только эукариотам. Возможен также альтернативный сплайсинг: из одной и той же ядерной (незрелой) и-РНК вырезаются разные участки, в результате чего образуются разные зрелые и-РНК.

КЭП – 1 – АУГ – 2 – 3 – 4 – poli-A

Здесь КЭП – "колпачок", 1 – лидирующий участок, АУГ – стартовый кодон, 2 – экзоны (их может быть много), 3 – кодон-терминатор, 4 – трейлер, poli-А – 100-200 остатков адениловой кислоты.

Лидирующий участок взаимодействует в последующем с рибосомальной РНК, а трейлер определяет местоположение и-РНК в цитоплазме и продолжительность ее функционирования.

Такая и-РНК выходит из ядра в цитоплазму, где осуществляется следующий этап – трансляция.

3. Трансляция

Трансляция – это процесс считывания информации с молекулы и-РНК на молекулу белка. Подобно транскрипции, трансляция протекает в три стадии:

инициация,

элонгация,

терминация.

Инициация

И-РНК своим кэпированным (фосфатным) концом отыскивает малую субъединицу рибосомы. Лидирующая последовательность соединяется с рибосомальной РНК. При этом стартовый кодон АУГ попадает в недостроенный пептидильный (П) участок рибосомы. (Как известно, в рибосоме имеется два активных участка: П – пептидильный и А – аминоацильный.) Далее к стартовому кодону присоединяется т-РНК, несущая аминокислоту метионин. Только после этого субъединицы рибосомы объединяются, и на этом инициация заканчивается.

Элонгация

Заключается в синтезе полипептида из свободных аминокислот, которые доставляются транспортными РНК. Аминокислота обязательно сначала должна попасть в аминоацильный центр – «центр узнавания». Скорость присоединения аминокислот у прокариот и эукариот разная: за одну секунду присоединяется две аминокислоты у эукариот и 16-17 – у прокариот.

Терминация

Терминация наступает тогда, когда в аминоацильный центр поступает один из трех кодоновтерминаторов – УАА, УАГ, УГА. Таким триплетам не соответствует ни одна аминокислота, поэтому они называются еще нонсенс-кодонами. К последней аминокислоте присоединяется вода, и карбоксильный конец полипептидной цепочки отсоединяется от рибосомы.

На этом синтез белка завершается.

Поскольку у про- и эукариот принципиальной разницы в механизме биосинтеза белка нет, то можно предположить, что данный механизм сформировался очень давно, еще до разделения клеток на два типа.

Следует также иметь в виду, что в синтезе белка принимает участие множество факторов инициации, элонгации, терминации – как белковой, так и небелковой природы.

Регуляция экспрессии генов

Регуляция генной активности в клетках может происходить на всех этапах экспрессии – от репликации ДНК до посттрансляционных процессов. Рассмотрим регуляцию на уровне транскрипции.

Впервые принцип регуляции на уровне транскрипции был установлен французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 году. Свои исследования они проводили на кишечной палочке. Кишечная палочка при попадании в среду, содержащую молочный сахар лактозу, вырабатывает фермент лактазу. Если же лактозы нет, то фермент не вырабатывается. Каким же образом клетка управляет процессом синтеза лактазы? Ответ на этот вопрос дает предложенная Жакобом и Моно модель оперона. Опероном называется функциональная система, состоящая из структурных и регуляторных генов.

В приведенной ниже схеме lac-оперона Р – ген-регулятор; П – промотор; О – ген-оператор; Z, Y, A – структурные гены, причем ген Z отвечает за выработку фермента лактазы, ген Y кодирует фермент, осуществляющий активный транспорт лактозы в клетку, а ген А хотя и находится здесь, однако никакого отношения к расщеплению лактозы не имеет.

Ген-регулятор кодирует синтез белка-репрессора. Репрессор в химическом отношении очень активен и поэтому в свободном состоянии не существует, он обязательно должен вступить с чем-нибудь в связь. Если в окружающей среде нет лактозы, то репрессор вступает в связь с оператором, блокируя его. В этом случае РНК-полимераза не может прикрепиться к промотору (т.к. мешает репрессор). Без фермента РНК-полимеразы не происходит синтез и-РНК на структурных генах и, следовательно, на рибосомах не идет синтез фермента лактазы.

Если же в окружающей среде появляется лактоза, то репрессор связывается с ней и освобождает ген-оператор. При отсутствии репрессора в области гена-оператора фермент РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет синтез и-РНК на структурных генах. Далее и-РНК поступает на рибосомы, где осуществляется синтез фермента лактазы. Последняя будет расщеплять молочный сахар лактозу. Такое состояние в клетке будет длиться до тех пор, пока не исчезнет лактоза. После этого репрессор снова связывается с оператором и тем самым останавливает процесс синтеза фермента лактазы.

Данный принцип регуляции называется принципом индукции. Индуктором в данном случае является молочный сахар – лактоза, т.к. ее появление ведет к запуску синтеза фермента.

Возможен и другой принцип регуляции синтеза белка – принцип репрессии. Он также имеет место у кишечной палочки. В этом случае появление продуктов реакции не запускает, а тормозит процесс синтеза фермента.

Исходно белок-репрессор находится в неактивной форме, поэтому он ни с чем не вступает в связь. Оператор свободен, и РНК-полимераза производит синтез и-РНК на структурных генах. Далее и-РНК поступает на рибосомы, где синтезируются соответствующие ферменты. Ферменты расщепляют субстрат до определенных продуктов, которые в свою очередь активируют репрессор (взаимодействуя с ним). Активированный репрессор вступает в связь с оператором, блокируя его. Нахождение репрессора в области оператора ведет к остановке процесса транскрипции на структурных генах и, соответственно, к прекращению синтеза ферментов на рибосомах. Необходимо отметить, что активация репрессора происходит только тогда, когда продуктов реакции накопится определенное количество (достаточно большое!).

По такому принципу в кишечной палочке функционируют два оперона:

his-оперон, содержащий 9 структурных генов и регулирующий синтез аминокислоты гистидин;

trip-оперон, содержащий 5 структурных генов и регулирующий синтез аминокислоты триптофан.

Уэукариот принцип оперонной регуляции не обнаружен. Активность каждого гена у них регулируется несколькими генами-регуляторами, кодирующими, соответственно, несколько регуляторных белков. Эти белки связываются с определенными участками в молекуле ДНК. Один из таких участков находится перед промотором и называется препромоторным элементом; другие области лежат вдали от промотора и носят названия энхансеров (усилителей) и глушителей. В результате связывания регуляторных белков с этими участками происходит включение и выключение структурных генов.

Система выработки регуляторных белков – «многоэтажная». Главные регуляторные белки отвечают за выработку второстепенных. Важная роль в регуляторных процессах принадлежит также гормонам (часто они являются индукторами транскрипции) и белкам гистоновой природы.

Разновидности генов

Наряду с приведенной ранее функциональной классификацией генов существуют и другие их разновидности: псевдогены, онкогены и мобильные гены.

Псевдогены (ложные гены) – нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, сходные по строению с известными генами, но утратившие функциональную активность.

Онкогены – нуклеотидные последовательности в молекуле ДНК, присутствующие в хромосомах нормальных клеток, способные активизироваться под влиянием факторов внешней среды и продуцировать белки, вызывающие рост опухолей.

Мобильные (прыгающие) гены – гены, не имеющие постоянной локализации не только в хромосоме, но и в пределах хромосомного набора клетки. Понятно, что перемещения генов влияют на их экспрессию – ранее не активные гены могут активизироваться, и наоборот. Некоторые ученые считают, что эти гены играют важную роль в эволюции. Видимо, возникновение таким путем отдельных видов (в результате переноса информации от вида к виду) действительно возможно.

В последние десятилетия в генетике появилось еще одно новое понятие – «семейство генов», или «мультигенное семейство». Это группа генов, имеющих сходное строение, общее происхождение и выполняющих сходные функции. Число генов в разных семействах может колебаться от нескольких единиц до нескольких тысяч.

Учеловека имеются семейства генов, кодирующие

α- и - глобиновые белки гемоглобина;

иммуноглобулины;

актины и миозины;

белки, определяющие тканевую несовместимость;

гистоновые белки.

Организация генов мультигенных семейств может быть разной. Так, семейства актиновых и миозиновых генов разбросаны по всему геному. Семейства генов, кодирующих - и - глобиновые белки, сосредоточены в одной хромосоме и образуют генные кластеры (так называют семейства генов, расположенных в одной хромосоме).

Генные кластеры возникли в результате дупликации (удвоения) отдельных генов. Таким образом, возникновение генных кластеров есть отражение эволюционного процесса.

ГЕНОТИП И ФЕНОТИП.

КАЧЕСТВЕННАЯ И КОЛИЧЕСТВЕННАЯ СПЕЦИФИКА ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕНОВ В ПРИЗНАКИ

Генотип – это совокупность всех генов в диплоидном наборе хромосом.

Фенотип – совокупность всех внешних и внутренних признаков и свойств организма, которые формируются в результате взаимодействия генотипа с окружающей средой.

Впервые ответ на вопрос о том, как ген реализуется в признак, дали американские ученые Г. Бидл и Е. Татум в 1941 году. Они сформулировали гипотезу, которая получила название: «один ген – один фермент». Суть ее состоит в том, что один ген контролирует в клетке синтез одного белка, а поскольку все ферменты состоят из белков, то, следовательно, один ген отвечает за синтез одного фермента.

Исходя из этой гипотезы и с учетом современных знаний, весь путь реализации гена в признак можно представить следующим образом:

Этот процесс протекает под постоянным влиянием факторов внешней среды. Конечный результат будет зависеть от уровня, на котором действует фактор. Если фактор подействует на уровне гена, то возникающие в фенотипе изменения будут передаваться по наследству. Действие факторов на всем остальном протяжении этой цепочки приведет к ненаследственным изменениям фенотипа, а также к фенокопиям.

Фенокопия – фенотипическая копия наследственного признака или заболевания. Фенокопии по наследству не передаются. Например, возможна фенокопия глухонемоты. Она может возникнуть в том случае, когда женщина в период беременности переболеет коревой краснухой. При этом вирус проникает через плаценту в организм плода и нарушает у него процесс формирования слуховых косточек, что в последующем ведет к глухонемоте. В то же время существует глухонемота, которая определяется патологическим геном и передается по наследству. Другой пример – фенокопия кретинизма. Кретинизм – это наследственное заболевание, в основе которого лежит гипофункция щитовидной железы. Фенокопия кретинизма возникает в условиях недостаточного поступления йода с пищей. Вследствие образования после травмы рубца в головном мозге может возникнуть фенокопия наследственного заболевания эпилепсии.

Наряду с фенокопиями выделяют и генокопии – сходные изменения фенотипа, обусловленные мутациями разных неаллельных генов. Так, гемофилия – несвертываемость крови – может быть вызвана отсутствием в организме разных факторов, которые кодируются разными генами. Хромосомные болезни человека часто сопровождаются бесплодием и умственной отсталостью, однако в каждом конкретном случае изменения могут быть со стороны разных хромосом. Существует две формы глухоты, которые контролируются разными неаллельными генами.

Установление врачом фенокопий важно для прогнозирования рождения в данной семье здорового ребенка. Раскрытие механизма возникновения генокопии позволяет выбрать правильный путь лечения.

Поскольку путь от гена до признака длинный, то наличие гена в генотипе еще не означает, что он проявится фенотипически. Пробиваемость гена в признак - пенетрантность. Пенетрантность равна отношению числа индивидов с данным признаком к общему числу индивидов, имеющих в генотипе данный ген. Принято выражать эту величину в процентах.

Пенетрантность зависит как от внутренних (генотип), так и от внешних факторов (внешняя среда). Рассмотрим это влияние на конкретных примерах.

1. В основе заболевания подагры лежит отложение солей мочевой кислоты в суставах, что ведет к тугоподвижности и появлению болей при движении. Это заболевание определяется доминантным геном. Однако проявление гена в признак будет зависеть как от генотипа, так и от факторов внешней среды. Влияние генотипа: пенетрантность у женщин равна нулю (ХХ половые хромосомы), у мужчин пенетрантность – 20% (ХY половые хромосомы). Влияние внешней среды: пробиваемости гена подагры в признак способствует злоупотребление виноградными винами и мясная пища.

2. Одна из форм шизофрении определяется доминантным геном. Влияние генотипа: пенетрантность у гомозигот (АА) составляет 100%, у гетерозигот (Аа) – 20%. Влияние внешней среды:

возникновению заболевания у гетерозигот способствуют факторы, ведущие к перенапряжению центральной нервной системы (стрессовые ситуации, частые конфликты в семье, коллективе; умственное переутомление и т.п.).

Существует еще одна важная характеристика проявления гена в признак – экспрессивность, т.е. степень выраженности признака. Например, серповидноклеточная анемия у гомозигот протекает тяжело, они погибают в раннем возрасте; у гетерозигот – значительно легче, отмечается только одышка при тяжелой работе. В семье, где все страдают брахидактилией (укороченные пальцы), степень укорочения пальцев может быть разная.

Знание пенетрантности и экспрессивности имеет важное практическое значение в работе врача, т.к. появляется возможность предупреждения возникновения наследственного заболевания путем рекомендации пациенту соответствующего образа жизни.

Иногда один ген может контролировать сразу несколько признаков. Это явление носит название

плейотропии, или множественного действия гена. Так, у овец один ген контролирует окраску шерсти и степень развития рубца (отдел желудка). У человека примером плейотропии является генетически обусловленный синдром Марфана, при котором один ген вызывает подвывих хрусталика, аневризму (расширение) аорты и нарушения со стороны опорно-двигательного аппарата.

В заключение приведем современный взгляд на гипотезу Г. Бидла – Е. Татума "один ген – один фермент". В целом она верна, однако имеется немало примеров, которые показывают, что один ген может контролировать синтез нескольких ферментов. Это возможно в двух случаях:

1.Наличие у ферментов общих субъединиц. Пример: один ген кодирует ферменты сахарозоизомальтазу, сахаразу, изомальтазу.

2.Существование белкового сплайсинга, т.е. явления, когда ген определяет один полипептид, из которого в последующем удаляются разные участки и, следовательно, формируются разные белки. Так,

вклетках мозга человека из белка препродинофрина образуются три типа нейрогормонов:

энкефалины, эндорфины и динорфины.

Поэтому на современном уровне знаний данная гипотеза может быть сформулирована следующим образом: «один ген – один полипептид».

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ

Генотип – это не простая сумма генов, а сложная система взаимодействующих между собой дискретных единиц наследственной информации. Так, у крупного рогатого скота признак окраски шерсти контролируется 12 парами генов, у мухи дрозофилы признак окраски глаз – 20 парами генов. Даже в самом простом варианте в определении признака участвуют как минимум два гена.

Наряду с функциональной классификацией генов они подразделяются еще на аллельные и неаллельные.

Аллельными называются гены, которые определяют контрастирующие (альтернативные) свойства одного признака и расположены в гомологичных хромосомах в одном и том же локусе.

Примеры контрастирующих свойств некоторых признаков человека.