Генетика (Ukrainian) PDF

Здатність організмів зберігати й передавати спадкову інформацію наступним поколінням називається спадковістю. Разом з мінливістю - здатністю організмів набувати різних форм і мати різні ознаки - вона є однією з ключових властивостей живого. Без спадковості було б неможливим самовідтворення живого. М...

Здатність організмів зберігати й передавати спадкову інформацію наступним поколінням називається спадковістю. Разом з мінливістю - здатністю організмів набувати різних форм і мати різні ознаки - вона є однією з ключових властивостей живого. Без спадковості було б неможливим самовідтворення живого. Мінливість створює різноманітність організмів, яка є матеріалом для еволюції, а відтак - для розвитку життя на Землі. У цьому розділі ми розглянемо закономірності передавання ознак з покоління в покоління, які вивчає розділ біології як генетика. Перші дані щодо успадкування різних ознак, отримувалися шляхом спонтанного спостереження. Наукові ж результати вперше було отримано Г. Менделем, який використав гібридологічний метод - схрещування організмів з різними ознаками та аналіз їхнього потомства (рис. 118). Ми розглянемо його в наступних параграфах. Зрозуміло, що експериментальне схрещування не можна застосувати для дослідження успадкування ознак людини. Для цього розроблено низку інших методів. Так, за допомогою генеалогічного аналізу досліджують вияв ознак у родичів у ряді поколінь (рис. 119). Крім того, можна порівнювати розвиток і ступінь вияву ознак у близнят - такий метод називають близнюковим. На основі його результатів можна зробити висновок, наскільки ті чи інші ознаки зумовлені генетичною інформацією, а наскільки - впливом середовища (§43). Учених у галузі біології, медицини цікавлять не лише механізми формування нормальних ознак, а першочергово механізми розвитку та шляхи корекції захворювань. Сукупність таких досліджень становить медичну генетику Цитологічні методи, зокрема пов'язані з аналізом набору хромосом, можуть виявити деякі спадкові захворювання, наприклад синдром Дауна. Ще більше інформації ми можемо отримати за допомогою методів молекулярної біології. Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) забезпечує копіювання молекул ДНК лабораторного зразка (рис. 120), щоб далі мати можливість аналізувати їх іншими методами. Секвенування (від англ, sequence - послідовність) - процес «читання», визначення нуклеотидної послідовності певних генів. Воно дає можливість виявляти різні варіанти генів, у тому числі пов'язані з хворобами - генетичні маркери (§ 43). Це дає змогу надавати персоналізовані поради стосовно профілактики або лікування захворювань. Важливу інформацію можна отримати, використовуючи тваринні моделі (рис. 121). Завдяки аналізу структури ДНК учені здатні ідентифікувати гени, які є подібними в людини і тварин. З метою розуміння їхніх функцій можуть інактивовувати такі гени у тварин шляхом викликаних мутацій, після чого спостерігати за змінами в діяльності клітин, органів і цілого організму. Методи генетичної інженерії дають змогу змінювати клітини задля набуття організмами корисних для людини властивостей. Одним з найсучасніших напрямів біомедичної науки є генетична модифікація клітин задля лікування певних хвороб (§ 43). Ще одним напрямом науки про спадковість є популяційна генетика (§ 40), яка аналізує зв'язок між наявними варіантами генів (зокрема мутаціями) та ознаками або захворюваннями. Отже, для розуміння механізмів формування ознак і процесів спадковості проводять дослідження на молекулярному, клітинному, організмовому чи популяційному рівнях. Ви пам'ятаєте, що генетична інформація зберігається в структурі молекул ДНК, які є обов'язковим компонентом клітин усіх організмів. Передавання ДНК до клітин наступних поколінь є основою спадковості. Сукупність молекул ДНК, що містяться в одній клітині, називають геномом. У еукаріотів більша частина ДНК міститься в ядрі. Саме в ньому відбуваються ключові процеси, які забезпечують збереження, реалізацію та передавання наступним поколінням генетичної інформації. Усі ядра мають подібну будову, а саме - поверхневий апарат (оболонку) і внутрішнє середовище (матрикс) (рис. 122). Поверхневий апарат ядра утворюють дві мембрани - зовнішня та внутрішня, між якими є заповнена рідиною щілина. Внутрішній вміст ядра контактує із цитоплазмою крізь отвори великого розміру - ядерні пори. Вони сформовані білками, що контролюють транспортування великих молекул усередину ядра та з нього. Речовини, які проникають усередину ядра, можуть змінити рівень активності генів (§ 39), а тому контроль такого транспортування важливий для регуляції роботи клітини. Головна за функціями частина ядерного вмісту - хроматин (рис. 123), який складається з молекул ДНК, сполучених з білками - гістонами. Гітони, зокрема, захищають ДНК від впливу хімічних сполук, запобігаючи виникненню мутацій  Геном прокаріотичної клітини зазвичай складається з однієї кільцевої молекули ДНК. В еукаріотичній клітині лінійні молекули ДНК зв'язані з білками й утворюють хроматин ядра. Нитки ДНК, ніби частково намотані на гістонові молекули, формують структури, подібні до намиста. Вони, своєю чергою, можуть закручуватися в спіралі, які вкладатимуться в петлі, а петлі вкладатимуться в петлі другого порядку. Такий процес називається ущільненням, або конденсацією хроматину. Максимально ущільнений хроматин формує Х-подібні структури - хромосоми (рис. 124). Вони стають помітними в полі зору мікроскопа лише під час клітинного поділу. У такому стані молекули ДНК недоступні для зчитування з них спадкової інформації. Тому під час активного функціонування клітини хроматин має хоча б частково перебувати в деконденсованому, розплетеному стані. Окрім ядерної ДНК, геном еукаріотичних клітин містить ДНК мітохондрій і пластид. Порівняно з ядерними хромосомами, їх розміри невеликі: від 15 до 170 тис. пар нуклеотидів, кілька десятків (до 100) генів (порівняйте з розмірами ядерних геномів (див. таблицю 5). Позаядерна ДНК також забезпечує частину спадковості, проте її закономірності дещо відмінні, ми розглянемо їх окремо (§ 36). Спадкова інформація записана в молекулах ДНК певними порціями: різні ділянки цих молекул містять інформацію про різні ознаки. Згідно з сучасними уявленнями про молекулярно біологічне підґрунтя спадковості, можна навести таке їх означення. **Ген** - це ділянка ДНК, на основі якої може відбуватися синтез функціональних молекул РНК. Сукупність генів певного організму називають генотипом. Генетична інформація зумовлює ознаки організму. Деякі з генів кодують структури білків (гени мРНК), інші ж кодують РНК із самостійними функціями (рРНК, тРНК). «Білкові» гени еукаріотів мають певну структуру (рис. 125). Основна частина, яку називають кодувальною, містить інформацію про структуру білка (або РНК). На початку гена розташована послідовність нуклеотидів, яку називають промотором. Саме з нею зв'язуються білки, які зчитують інформацію. За кодувальною частиною розташована завершальна ділянка гена, яку називають термінатором. За функціями умовно розділяють структурні гени, які визначають певну ознаку (наприклад, кодують фермент, що каталізує певну хімічну реакцію), та регуляторні, основним ефектом яких є вплив на активність інших генів. Не весь геном утворений генами. Між генами існують проміжки, які не містять інформації про будову білків або РНК. Крім того, некодувальні ділянки можуть бути всередині генів еукаріотів - їх називають інтронами (§ 31). Кількість некодувальної ДНК суттєво різниться в різних видів (див. табл. 5). Наприклад, у людини на неї припадає більше ніж 97% ДНК, натомість відома рослина, у якої вона займає всього 3%. Значення некодувальної ДНК повністю не встановлено. Зокрема, в ній можуть бути ділянки, що полегшують або ускладнюють зчитування інформації з тих чи інших генів, тобто виконують регуляторну функцію Кількість і розміри хромосом (відповідно кількість і довжина молекул ДНК) у клітині є видовою ознакою, яка може суттєво варіювати в представників різних видів. Сукупність хромосом, які містяться в ядрах клітин, називають каріотипом. Існують організми, клітини яких містять виключно хромосоми з унікальним, відмінним від інших, набором генів. Такі клітини називають гаплоїдними. Клітини інших організмів (у тому числі й людини) мають подвійний набір хромосом. Це означає, що в клітинах містяться пари хромосом, які характеризуються однаковим набором генів, розташованих в однаковій послідовності. Такі хромосоми називають гомологічними, а клітини з подвійним набором - диплоїдними. Багато диплоїдних організмів мають особливу пару хромосом, яка різниться структурою в представників різних статей. Таку пару називають статевими хромосомами. Нестатеві хромосоми називають аутосомами. Хромосоми можуть бути ідентифікованими за допомогою світлової мікроскопії. Вони різняться за довжиною, місцем розташування первинної перетяжки (центромери) та закономірностями чергування світлих і темних смужок (рис. 126). Організми з несумісними наборами хромосом нездатні сформувати плідне потомство, а відтак учені розглядають їх як представників різних видів. Розшифрування геному людини було одним з найбільших наукових проектів, воно тривало більше ніж 10 років. У результаті було встановлено, що він складається з 3,2 млрд пар нуклеотидів ядерної ДНК. Лише близько 3% цієї ДНК кодують гени, яких налічують більше ніж 20 тис. Мітохондріальна ДНК є суттєво коротшою - її розмір усього 16-17 тис. пар нуклеотидів, проте кожна клітина містить багато (кілька сотень або тисяч) мітохондрій. У цій молекулі записано всього 37 генів, які кодують власні мітохондріальні ДНК, а також білки, залучені до функціонування дихального ланцюга (наприклад АТФ-синтетазу). Каріотип людини складається з 46 хромосом, які формують 23 пари. З них 22 пари є аутосомами, а 23-тя статева: жінки мають дві Х-хромосоми, натомість у чоловіків є одна X і одна Y. Y-хромосома є коротшою та містить менше генів, ніж X, а тому вони не є гомологічними. Порушення хромосомного набору, яке може виникати під час клітинного поділу, часто призводить до загибелі клітини або формування хромосомних захворювань Ми вже з'ясували, як генетична інформація зберігається в клітинах. Для того, щоб гени, які входять до її складу, могли передатися наступним поколінням та зумовити певні ознаки, існують процеси її передавання, пов'язані з поділом клітин. Дуже важливим етапом клітинного циклу є подвоєння наявної в клітині ДНК - реплікація (рис. 127). Вона відбувається перед клітинним поділом. **Реплікація** - процес подвоєння ДНК, у якому на основі однієї молекули утворюються дві її копії. Ви пам'ятаєте, що важливою особливістю будови молекул ДНК є те, що вона складається з двох лінійних ланцюжків нуклеотидів. Структура кожного з них комплементарно повторює структуру іншого - напроти аденілового (А) нуклеотиду одного ланцюга в іншому завжди тимідиловий (Т), а напроти гуанілового (Г) завжди цитидиловий (Ц). Під час реплікації спеціалізовані ферменти розділяють нитки ДНК та добудовують до кожної з них нову, дотримуючись принципу комплементарності. У результаті формуються дві ідентичні молекули, що будуть у процесі поділу передані до двох дочірніх клітин. Існує кілька варіантів передавання генетичної інформації наступним поколінням. У найпростішому з них, що притаманний, наприклад, прокаріотам, вихідна клітина ділиться простим поділом на дві дочірні, кожна з яких отримує копію материнської молекули ДНК (яка в прокаріотів одна). У більш складному варіанті розмноження організмів пов'язано з обміном між ними генетичною інформацією. Такий спосіб розмноження називають статевим, він здійснюється шляхом формування спеціалізованих статевих клітин. У багатьох організмів, у тому числі й у людини, формування статевих клітин відбувається за участі особливого типу клітинного поділу - мейозу. **Мейоз** - тип клітинного поділу, за якого вдвічі зменшується число хромосом (кількість молекул ДНК). Унаслідок мейозу з диплоїдної клітини утворюються гаплоїдні клітини (рис. 128). Мейоз має низку відмінностей від іншого типу клітинного поділу - мітозу. У результаті мітозу утворюються дві клітини, що мають ідентичний материнській набір ДНК (а відтак - і генів). За мейозу ж формуються гаплоїдні клітини, а отже статеві клітини мають лише половину генетичної інформації, що була в батьківського організму. Крім того, унаслідок кросинговеру - обміну гомологічними ділянками між парними хромосомами - статеві клітини можуть містити такі комбінації варіантів генів, яких не було в батьків. Збереження та передача наступним поколінням спадкової інформації є важливими процесами, але для формування ознак організму потрібно, щоб ця інформація була використана, реалізована в правильний спосіб. Утворення на основі генетичної інформації функціональних продуктів (білків або РНК) називають експресією гена. Цей процес складається з низки послідовних етапів (рис. 129), першим з яких є зчитування інформації з ДНК або транскрипція. **Транскрипція** - синтез молекули РНК з використанням молекули ДНК як матриці. В еукаріотичних клітинах транскрипція відбувається в ядрі, де зберігається ДНК, і забезпечується ферментами. Основним ферментом транскрипції є РНК-полімераза, яка «працює» на всіх її етапах (рис. 130), першим з яких є зв'язування з промотором гена. Для цього РНК-полімераза має бути з'єднаною з одним або кількома іншими важливими білками - транскрипційними факторами. Вони визначають, з яким саме геном зв'язуватиметься зазначений фермент, а отже, впливають на активність генів, що має важливе значення для регуляції росту та розвитку організму. Гени, які кодують транскрипційні фактори, є регуляторними. Наступним етапом є синтез молекули РНК (рис. 130). РНК-полімераза роз'єднує дві нитки ДНК і рухається вздовж лише однієї з них. Вона розпізнає нуклеотиди ДНК і включає в молекулу РНК комплементарні до них РНК-нуклеотиди Цей процес триває, доки РНК-полімераза не досягне термінатора гена. Тоді синтез завершується: РНК-полімераза вивільняє синтезовану молекулу РНК та від'єднується від ДНК. За функціями розрізняють кілька типів молекул РНК. Рибосомні РНК (рРНК) входять до складу рибосом і забезпечують їхнє функціонування. Транспортні РНК (тРНК) приєднують амінокислоти й транспортують їх до місця синтезу білка. Матричні, або інформаційні, РНК (мРНК, ІРНК) містять інформацію про амінокислотну структуру білків. Вони слугують матрицею для біосинтезу білка. Існують і інші типи РНК. Усі вони беруть участь у біосинтезі білка або його регуляції. Переважна більшість генів ядерної ДНК кодує послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі («білкові гени»). Утворені в процесі транскрипції молекули РНК ще не можуть виконувати своїх функцій. В еукаріотів вони зазнають певних змін, які називаються процесингом. Важливим його етапом є сплайсинг (від англ. splice - зрощувати, з'єднувати). Більшість генів еукаріотів містить некодувальні ділянки, що «вирізаються» під час зазначеного процесу. Такі ділянки називають інтронами, а ті, що залишаються в молекулі РНК, - екзонами. Отже, сплайсинг - це процес «вирізання» інтронів і «зшивання» екзонів. Зрозуміло, що інформацію про структуру білків містять лише екзони. На інтрони може припадати від 0 до 99 % довжини гена. У багатьох генів екзони, що залишаються, можуть зшиватися в різний спосіб. Як наслідок з одного гена можуть утворюватися різні мРНК, за якими будуть синтезовані різні білки (рис. 132). Уважають, що саме це є причиною описаної мозаїчної (екзонно-інтронної) структури генів. Зрілі молекули РНК експортуються з ядра в цитоплазму, де починають виконувати свої функції.