Генетика

Содержание:

 

10.  Мейоз и  его генетическая сущность…………………………3

34. Строение генетического  материала у прокариот. Обмен  генетическим материалом  у прокариот…………………………6

48.  Генетическая  структура популяции по концентрации  генов и частоте генотипов.  Формула и закон Харди-Вайнберга  для характеристики структуры  панмиктической популяции……12

117. Выписать и  дать объяснения всем терминам, встретившимся  при выполнении  работы…………………….16

73. Задача…………………………………………………………18

84.Задача………………………………………………………….19

Список используемой литературы……………………………20

 

 

10.  Мейоз и его генетическая сущность.

    Мейоз {греч. meiosis — уменьшение) —сложное деление, которое происходит только у высших организмов, размножающихся половым путем, и связан он с процессом развития и образования  половых клеток (гаметогенезом) .Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра: первое деление мейоза – редукционное – приводит к сокращению вдвое числа хромосом в дочерних клетках, второе деление -  эквационное – сохраняет имеющиеся в материнской клетке число хромосом. Мейоз служит ключевым звеном гаметогенеза у животных и спорогенеза у растений, в результате которого из диплоидных клеток образуются гаплоидные клетки.Мейоз -разновидность митоза, в результате которого из диплоидных (2п) соматических клеток половых желез образуются гаплоидные гаметы (1n). При оплодотворении ядра гаметы сливаются, и восстанавливается диплоидный набор хромосом. Таким образом, мейоз обеспечивает сохранение постоянного для каждого вида набора хромосом и количества ДНК.  Мейоз представляет собой непрерывный процесс, состоящий из двух последовательных делений, называемых мейозом I и мейозом II. В каждом делении различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В результате мейоза I число хромосом уменьшается вдвое (редукционное деление): при мейозе II гаплоидность клеток сохраняется (эквационное деление). Клетки, вступающие в мейоз, содержат генетическую информацию 2n2хр (рис. 1).

В профазе мейоза I происходит постепенная спирализация хроматина  с образованием хромосом. Гомологичные хромосомы сближаются, образуя общую  структуру, состоящую из двух хромосом (бивалент) и четырех хроматид (тетрада). Соприкосновение двух гомологичных хромосом по всей длине называется конъюгацией. Затем между гомологичными  хромосомами появляются силы отталкивания, и хромосомы сначала разделяются  в области центромер, оставаясь  соединенными в области плеч, и  образуют перекресты (хиазмы). Расхождение  хроматид постепенно увеличивается, и  перекресты смещаются к их концам. В процессе конъюгации между некоторыми хроматидами гомологичных хромосом может происходить обмен участками  — кроссинговер, приводящий к перекомбинации генетического материала. К концу  профазы растворяются ядерная оболочка и ядрышки, формируется ахроматиновое  веретено деления. Содержание генетического  материала остается прежним (2n2хр).

В метафазе мейоза I биваленты  хромосом располагаются в экваториальной плоскости клетки. В этот момент спирализация их достигает максимума. Содержание генетического материала  не изменяется (2п2хр).

В анафазе мейоза I гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид, окончательно отходят друг от друга  и расходятся к полюсам клетки. Следовательно, из каждой пары гомологичных хромосом в дочернюю клетку попадает только одна — число хромосом уменьшается  вдвое (происходит редукция). Содержание генетического материала становится 1n2хр у каждого полюса.

В телофазе происходит формирование ядер и разделение цитоплазмы —  образуются две дочерние клетки. Дочерние клетки содержат гаплоидный набор хромосом, каждая хромосома — две хроматиды (1n2хр).

Интеркинез — короткий промежуток между первым и вторым мейотическими делениями. В это  время не происходит репликации ДНК, и две дочерние клетки быстро вступают в мейоз II, протекающий по типу митоза.

Рис. 1. Схема мейоза (показана одна пара гомологичных хромосом). Мейоз I: 1, 2, 3. 4. 5 — профаза; 6 —метафаза; 7 —  анафаза; 8 — телофаза; 9 — интеркинез. Мейоз II; 10 —метафаза; II —анафаза; 12 —  дочерние клетки.

В профазе мейоза II происходят тс же процессы, что и в профазе  митоза. В метафазе хромосомы располагаются  в экваториальной плоскости. Изменений  содержания генетического материала  не происходит (1n2хр). В анафазе мейоза II хроматиды каждой хромосомы отходят  к противоположным полюсам клетки, и содержание генетического метериала  у каждого полюса становится lnlxp. В телофазе образуются 4 гаплоидные клетки (lnlxp).

Таким образом, в результате мейоза из одной диплоидной материнской  клетки образуются 4 клетки с гаплоидным набором хромосом. Кроме того, в  профазе мейоза I происходит перекомбинация генетического материала (кроссинговер), а в анафазе I и II — случайное  отхождение хромосом и хроматид к  одному или другому полюсу. Эти  процессы являются причиной комбинативной  изменчивости.

Биологическое значение мейоза:

1)  является основным  этапом гаметогенеза;

2)  обеспечивает передачу  генетической информации от организма  к организму при половом размножении;

3)  дочерние клетки  генетически не идентичны материнской  и между собой.

Атак же, биологическое  значение мейоза заключается в том, что уменьшение числа хромосом необходимо при образовании половых клеток, поскольку при оплодотворении ядра гамет сливаются. Если бы указанной  редукции не происходило, то в зиготе (следовательно, и во всех клетках  дочернего организма) хромосом становилось  бы вдвое больше. Однако это противоречит правилу постоянства числа хромосом. Благодаря мейозу половые клетки гаплоидны, а при оплодотворении в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом

Рис. 2. Схема гаметогенеза: à — сперматогенез;  б— овогенез

Генетическое значение оплодотворения заключается в том,что после  слияния женской и мужской  гамет в зиготе восстанавливается  характерный для данного вида диплоидный набор хромосом. Образование  зиготы и развитие из нее особи  в процессе онтогенеза (индивидуального  развития ) являются характерными чертами  полового размножения.

 

   34. Строение генетического материала у прокариот. Обмен генетическим материалом  у прокариот.

Основной генетический материал прокариот (от греч. про – до и  карион – ядро) находится в цитоплазме в виде кольцевой молекулы ДНК. Эта  молекула (нуклеоид) не окружена ядерной  оболочкой, характерной для эукариот, и прикрепляется к плазматической мембране .Таким образом, прокариоты не имеют оформленного ядра. Кроме нуклеоида в прокариотической клетке часто встречается небольшая кольцевая молекула ДНК, называемая плазмидой. Плазмиды могут перемещаться из одной клетки в другую и встраиваться в основную молекулу ДНК.

Некоторые прокариоты имеют  выросты плазматической мембраны: мезосомы, ламеллярные тилакоиды, хроматофоры. В них сосредоточены ферменты, участвующие в фотосинтезе и  в процессах дыхания. Кроме того, мезосомы ассоциированы с синтезом ДНК и секрецией белка. Размножаются прокариоты обычно путем деления  надвое (бинарным). Делению предшествует очень короткая стадия удвоения, или  репликации, хромосом. Так что прокариоты – гаплоидные организмы.    

Редко у бактерий наблюдается  половой процесс, при котором  происходит рекомбинация генетического  материала. Следует подчеркнуть, что  у бактерий никогда не образуются гаметы, не происходит слияние содержимого  клеток, а имеет место передача ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту. Различают три способа передачи ДНК: конъюгация, трансформация, трансдукция

Трансформация — однонаправленный перенос фрагментов ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту, не контактирующих друг с другом. При этом клетка-донор  или «выделяет» из себя небольшой  фрагмент ДНК, или ДНК попадает в  окружающую среду после гибели этой клетки. В любом случае ДНК активно  поглощается клеткой-реципиентом  и встраивается в собственную  «хромосому». Трансформация установлена  у бактерий и у вирусов. Наиболее хорошо она изучена у фагов, в  частности у поражающего кишечную палочку фага Т и вируса табачной мозаики. Наблюдается трансформация  при заражении клеток бактерий одновременно двумя штаммами, различающимися своими наследственными особенностями.

Первый заслуживающий  доверия случай наследственного  изменения, возникшего в результате приобретения чужеродного генетического  материала, был обнаружен у бактерии Pneumococcus — возбудителя пневмонии. Штаммы Pneumococcus различаются по свойствам клеточной поверхности, которая может быть гладкой или шероховатой, и степени вирулентности, связанной с типом поверхности. Эти различия наследуются. Если выращивать один штамм бактерий на стерильном экстракте, содержащем ДНК другого штамма, то некоторые дочерние клетки первого штамма приобретают свойства клеточной поверхности и вирулентность, характерные для второго штамма. Эти изменения передаются по наследству. Наследственные признаки штамма-донора передаются штамму-реципиенту через ДНК донора в стерильной ростовой среде

 

Трансформация у бактерий — явление, наблюдаемое в лаборатории. Её природный аналог — это трансдукция. Бактериальные вирусы, или фаги, в природных условиях иногда переносят  генетический материал из одной бактериальной  клетки в другую. Такой перенос  бактериального генетического материала  фагами называют трансдукцией.   

При трансдукции небольшой двухцепочечный фрагмент ДНК попадает из клетки-донора в клетку-реципиент вместе с бактериофагом (одна из групп вирусов). Возможный механизм трансдукции изображен на рисунке ниже:

 

Некоторые вирусы способны встраивать свою ДНК в ДНК бактерий; такая встроенная ДНК реплицируется  одновременно с ДНК хозяина и  передается от одного поколения бактерий к другому. Время от времени такая  ДНК активируется и начинает кодировать образование новых вирусов. ДНК  хозяина (бактерии) разрывается, а высвобожденные фрагменты иногда захватываются  внутрь новых вирусных частиц, порой  даже вытесняя ДНК самого вируса. Такие  новые "вирусы", или трансдуцирующие частицы, затем переносят ДНК в клетки других бактерий.

 Различают трансдукцию  неспецифическую и специфическую.

Неспецифическая трансдукция  — случайный перенос фрагментов ДНК от одной бактериальной клетки к другой.

Специфическая трансдукция  осуществляется только умеренными фагами, обладающими способностью включаться в строго определенные участки хромосомы  бактериальной клетки и трансдуцировать  определенные гены.

Процесс трансдукции протекает  следующим образом. Фаг заражает одну бактериальную клетку и размножается в ней за счет ДНК хозяина. Затем  одна из дочерних фаговых частиц заражает другую бактериальную клетку и вносит при этом генетический материал первой клетки-хозяина во вторую клетку-хозяина. Наиболее успешно трансдукцию осуществляют умеренные фаги, которые не вызывают полного разрушения бактерий-хозяев. Трансдуцированные бактерии продолжают при этом свое существование и  воспроизводят свои измененные признаки.

Установлено, что трансдукция  происходит у бактерий таких родов, как Salmonella, Escherichia, Pseudomonas, Staphylococcus и  некоторых других. К числу признаков, передаваемых путем трансдукции, относятся  способность к синтезу тех  или иных веществ, устойчивость к  антибиотикам и подвижность. В одном случае конверсии у Clostridium изменяется тип токсина, вырабатываемого бактерией. Один из штаммов Clostridium botulinum, который обычно вызывает ботулизм у человека и животных, при заражении определённым фагом превращается в другой штамм Clostridium, вызывающий газовую гангрену .

У прокариот (бактерии и синезеленые  водоросли), у которых отсутствует  мейоз, а геном представлен только одной молекулой ДНК, законная генетическая рекомбинация сопряжена с такими естественными  формами обмена и  переноса генетического материала, как конъюгация.При конъюгации одна из клеток передает генетическую информацию другой клетке. При этом увеличения числа особей не происходит.

Конъюгация бактерий состоит  в переходе генетического материала (ДНК) из клетки-донора («мужской») в  клетку-реципиент («женскую») при контакте клеток между собой. Донорная способность клеток определяется генами, находящимися в небольшой кольцевой молекуле ДНК, которую называют половым фактором или F-фактором (F - первая буква от англ. fertility - плодовитость). Это - своеобразная плазмида, которая кодирует белок специфических фимбрий, называемых F-пилями или половыми пилями. F-пили облегчают контакт клеток друг с другом. Молекула ДНК состоит из двух цепей. При конъюгации одна из цепей двухцепочечной ДНК F-фактора проникает через половую фимбрию из клетки-донора (F⁺) в клетку-реципиент (F^-).

 

Этот процесс  схематически показан на рисунке:

 

 

Рис. Конъюгация и перенос F-фактора из клетки в  клетку. 1, 2 и 3 обозначают последовательность этапов переноса. 1 - раскручивающийся и одновременно реплицирующийся F-фактор; 2 - одноцепочечный F-фактор проникает в клетку-реципиент через F-фимбрию; 3 - F-фактора с синтезирующейся комплементарной цепью.

 

«Мужская» клетка содержит F-фактор, или половой фактор, который  контролирует синтез так называемых половых пилей, или F-пилей. Клетки, не содержащие F-фактора, являются «женскими»; при получении F-фактора они превращаются в «мужские» и сами становятся донорами. F-фактор располагается в  цитоплазме в виде кольцевой двунитчатой  молекулы ДНК, т. е. является плазмидой. Молекула F-фактора значительно меньше хромосомы и содержит гены, контролирующие процесс конъюгации, в том числе  синтез F-пилей. При конъюгации F-пили соединяют «мужскую» и «женскую»  клетки, обеспечивая переход ДНК  через конъюгационный мостик или F-пили. Клетки, содержащие F-фактор в цитоплазме, обозначаются F+; они передают F-фактор клеткам, обозначаемым F- («женским»), не утрачивая донорской способности, так как оставляют копии F-фактора. Если F-фактор включается в хромосому, то бактерии приобретают способность передавать фрагменты хромосомной ДНК и называются Hfr-клетками (от англ. highfrequencyofrecombination — высокая частота рекомбинаций), т.е. бактериями с высокой частотой рекомбинаций. При конъюгации клеток Hfr и клеток F- хромосома разрывается и передается с определенного участка (начальной точки) в клетку F-, продолжая реплицироваться. Перенос всей хромосомы может длиться до 100 мин.

Переносимая ДНК взаимодействует  с ДНК реципиента — происходит гомологичная рекомбинация. Прерывая процесс конъюгации бактерий, можно  определять последовательность расположения генов в хромосоме. Иногда F-фактор может при выходе из хромосомы  захватывать небольшую ее часть, образуя так называемый замещенный фактор — F'.