Актуальность темы
Изменчивость является одним из основных свойств живого и заключается в способности организмов изменять свои свойства и признаки в ходе исторического развития (филогенеза) или индивидуального развития (онтогенеза). Эти изменения исключительно многообразны по своим проявлениям и их можно выявить на любом уровне организации живого, а это предполагает, в свою очередь, существование различных видов классификаций изменчивости.
В последнее время внимание ученых все больше привлекают формы проявления индивидуальной изменчивости: биохимической, физиологической, иммунологической, поведенческой, адаптационной и т.д., ибо совокупность всех этих отличий и определяет уникальную индивидуальность любого организма.
Возникновение и развитие генетики способствовало не только раскрытию механизмов наследственности, но и также изменчивости, поскольку эти два свойства живого диалектически взаимосвязаны между собой. Появились новые термины для обозначения форм изменчивости: наследственная и ненаследственная. Однако в настоящее время такое разделение является не совсем корректным, поскольку абсолютное большинство признаков и свойств организмов в той или иной степени наследственно обусловлены.
Формируемые компетенции:
«Лечебное дело»: ОК 3, 5, 6, 7, 10, 11, 13, 14
«Сестринское дело»: ОК 3, 5, 10, 11, 14
«Акушерское дело»: ОК 3, 11
«Фармация»: ОК 3, 10
Цели занятия:
- изучить явление изменчивости как свойства живых организмов;
- разобрать закономерности возникновения и фенотипические эффекты различных форм изменчивости;
- рассмотреть общие закономерности мутагенеза и определить влияние мутационной изменчивости на процессы биологической эволюции и на особенности индивидуального развития организма;
- выявить основные биологические последствия воздействий мутагенных факторов.
Вопросы для самоподготовки студентов к практическому занятию:
1. Изменчивость как свойство живых организмов. Классификация форм изменчивости.
2. Фенотипическая изменчивость. Норма реакции генетически обусловленных признаков.
3. Комбинативная изменчивость. Механизмы возникновения и значение в обеспечении генетического разнообразия популяций.
4. Мутационная изменчивость. Мутагенные факторы среды.
5. Классификации мутаций в зависимости от типа клеток, уровня организации наследственного материала, причин возникновения, биологических последствий.
6. Биологические антимутационные механизмы.
Литература:
Е.К. Тимолянова «Медицинская генетика» / Серия «Медицина для вас». – Ростов н/д: Феникс, 2003. – 304с. – С. 137-162.
Медицинская генетика: Учеб. пособие / В.А. Орехова и др. – Минск: Высшая школа, 1997. – 123с. – С. 58-65.
Задания для самостоятельной работы студентов на практическом занятии
Задание 1. Дополните.
Изменчивость – это ________________________________________.
Среди причин изменчивости можно выделить: 1)…..; 2)……; 3)…...
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 3 балла.
Задание 2. Дополните схему «Классификация форм изменчивости».
Классификация форм изменчивости
Изменчивость
 |  | ||
? генотипическая
 | |||
 | |||
генеративная соматическая
 |  |  |
???
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 3 балла.
Задание 3. Охарактеризуйте комбинативную изменчивость.
Комбинативная (гибридная) – связана с _________________________.
Она обусловлена:
1) ________________________________________________________.
2) ________________________________________________________.
3) ________________________________________________________.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 3 балла.
Задание 4. Дополните.
Мутационная изменчивость - это______________________________.
Мутация – это ________________________________________.
Основные положения мутационной теории разработаны Гуго де Фризом в 1901-1903 гг. и сводятся к следующему:
1.____________________________________________________.
2.____________________________________________________.
3. ____________________________________________________.
4.____________________________________________________.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 3 балла.
Задание 5. Дополните.
Фенотипическая изменчивость – это ____________________________.
_________ - это степень вариабельности признака под влиянием факторов окружающей среды.
Узкая норма реакции – это ____________________________________.
Широкая норма реакции – это _________________________________.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 3 балла.
Задание 6. Выполните биометрическую обработку представленного материала и рассчитайте соответствующие показатели для следующего вариационного ряда, содержащего данные о распределении показателей роста у группы лиц мужского пола одной из популяций человека (значения приведены с точностью до 1 см).
Х…. 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172
ƒ…. 3 6 8 13 18 19 14 14 9 5 4
Постройте вариационную кривую для данного вариационного ряда. Для построения графика отложите на оси абсцисс (по горизонтали) значения отдельных вариант, а по оси ординат (по вертикали) - значения, соответствующие частоте встречаемости каждой варианты. При соединении сплошной линией точек, обозначающих частоту вариант, получается кривая, иллюстрирующая распределение показателей исследуемого признака. Чтобы проанализировать относительное значение каждой из вариант в общей выборке, можно построить диаграмму, состоящую из группы прямоугольников. Нижняя сторона каждого прямоугольника имеет графическое значение соответствующей варианты, а другая (боковая) сторона - значение ее частоты. При этом площадь каждого прямоугольника (в выбранном масштабе изображения) будет соответствовать доле общего числа лиц, показатель роста которых отражает размер нижней стороны прямоугольника, во всей выборке данных (сумма площадей всех прямоугольников принимается равной 100 %).
Задание 7. Используя материал учебника, составьте схему «Классификация мутаций».
Классификация мутаций
Мутации (по причинам)
 |  |
??
Мутации (по мутировавшим клеткам)
 |  | ||
??
Мутации (по изменению генетического материала)
 |  |  | |||
???
Мутации (по изменению фенотипа)
 |  | ||||||||
 |  | | |||||||
?????
Мутации (по исходу для организма)
 | |||||||
 | |  |
????
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 3 балла.
Задание 8. Используя материал учебника, заполните таблицу «Мутагены и антимутагены».
Мутагены – это факторы внешней среды, которые оказывают влияние на наследственный аппарат организма и приводят к его изменению. Все мутагенные факторы можно разделить на три большие группы: физические, химические и биологические.
Таблица «Мутагены и антимутагены»
| Мутагены | Антимутагены | ||
| физические | химические | биологические | |
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 5 баллов.
Задание 9. Используя представленный материал, заполните таблицу
«Общие закономерности мутагенеза».
Таблица «Общие закономерности мутагенеза»
| Факторы мутагенеза | Механизм действия |
Мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки (организма). Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки; это – не физико-химический, а биологический процесс.
Например, ферментные системы репарации вырезают поврежденный участок ДНК, если повреждена только одна нить (эту операцию выполняют ферменты эндонуклеазы), затем вновь достраивается участок ДНК, комплементарный по отношению к сохранившейся нити (эту операцию выполняют ДНК-полимеразы), затем восстановленный участок сшивается с концами нити, оставшимися после вырезания поврежденного участка (эту операцию выполняют лигазы).
Существуют и более тонкие механизмы репарации. Например, при утрате азотистого основания в нуклеотиде происходит его прямое встраивание (это касается аденина и гуанина). Однако при большом числе повреждений ДНК они могут стать необратимыми. Это связано с тем, что: во-первых, репарационные системы могут просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации, необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций – стойких изменений наследственной информации.
В настоящее время известно множество самых разнообразных мутагенов.
Особенности действия физических мутагенов. К физическим мутагенам относятся: ионизирующее излучение (альфа–, бета, гамма–, нейтронное и рентгеновское излучение), коротковолновое ультрафиолетовое излучение, СВЧ–излучение, действие экстремальных температур.
Действие ионизирующего излучения основано на ионизации компонентов цитоплазмы и ядерного матрикса. При ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры. Рассмотрим наиболее изученные механизмы мутагенного воздействия ионизирующего излучения.
1. Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием рентгеновских лучей) или множественных (под воздействием альфа-частиц). Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо – обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают. К разрывам ДНК приводит и ультрафиолетовое облучение.
2. Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот механизм наиболее эффективно действует на синтетической стадии интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают. (Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях – непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки).
Опосредованное воздействие ионизирующих факторов индуцирует самые разнообразные генные и хромосомные мутации. При опосредованном действии ионизирующих факторов их мутагенный эффект может быть снижен с помощью специальных веществ – радиопротекторов. К радиопротекторам относятся различные антиоксиданты, взаимодействующие с продуктами ионизации. В то же время, мутагенный эффект может быть усилен, например, высокая температура повышает мутагенный эффект радиации.
3. Особенности мутагенного действия ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин–тимин» и «тимин–цитозин». При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т.е. принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовый свет – это сравнительно мягкий мутаген.
4. Особенности мутагенного действия экстремальных температур. Собственный мутагенный эффект экстремальных температур не доказан. Однако очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем.
5. Особенности действия химических мутагенов. К химическим мутагенам относятся самые разнообразные вещества.
Алкилирующие агенты. Вызывают алкилирование ДНК (например, метилирование, этилирование и т.д.). В результате при репликации ДНК нарушается принцип комплементарности, и происходит замена нуклеотидных пар:
ГЦ → АТ; ГЦ → ЦГ; ГЦ → ТА
Некоторые из алкилирующих агентов в природе не встречаются, их не распознают ферменты защитных систем. Такие вещества называются супермутагенами (например, N-метил-Nнитрозомочевина).
Нитриты. Осуществляют окислительное дезаминирование гуанина, аденина, цитозина. Также нарушается принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена АТ → ГЦ.
Существует множество иных химических факторов, обладающих мутагенным, канцерогенным и тератогенным действием. Например, ионы тяжелых металлов, связываясь с ферментами репликации, репарации и рекомбинации, снижают их ферментативную активность. Таким образом, не являясь собственно мутагенами, ионы тяжелых металлов способствуют появлению мутаций.
Кроме того, нужно учесть, что воздействие совершенно разных мутагенов может приводить к сходным результатам.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 6 баллов.
Задание 10. Ответьте на задания в тестовой форме.
Выберите один или несколько правильных ответов:
1. Мутационная изменчивость – это: А. приспособление к окружающей среде; Б. скачкообразное появление новых разновидностей и видов; В. сочетание новых комбинаций из имеющихся в природе.
2. Модификационная изменчивость – это: А. приспособление к окружающей среде; Б. скачкообразное появление новых разновидностей и видов; В. сочетание новых комбинаций из имеющихся в природе.
3. Комбинационная изменчивость – это: А. приспособление к окружающей среде; Б. скачкообразное появление новых разновидностей и видов; В. сочетание новых комбинаций из имеющихся в природе.
4. Назовите биологические мутагены: А. ультразвук; Б. серотонин; В. температура; Г. радиация; Д. малярия.
5. Назовите физические мутагены: А. ультразвук; Б. тетрациклин; В. гравитация; Г. температура.
6. Какая изменчивость возникает у организмов под влиянием мутагенов? А. соотносительная; Б. генотипическая; В. групповая; Г. возрастная.
7. Тип мутации изменение последовательности нуклеотидов в ДНК: А. геномная; Б. хромосомная; В. соматическая; Г. генная.
8. Кратное увеличение числа хромосом: А. анеуплоидия; Б. инбридинг; В. полиплоидия; Г. аутбридинг.
9. Тип мутации изменения структуры, размеров хромосом: А. генная; Б. геномная; В. хромосомная; Г. половая.
10. По мутировавшим клеткам мутации бывают: А. спонтанными; Б. генеративными; В. геномными; Г. индуцированными.
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 10 баллов.
Задание 11. Решите задачи.
1. Ионизирующая радиация способна "выбивать" отдельные нуклеотиды из молекулы ДНК без нарушения ее целостности. Одна из цепей ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ААТЦАЦГАТЦЦТТЦТАГГААГ. Как изменится первичная структура закодированного в ней белка, если будет выбит: а) второй триплет; б) третий нуклеотид?
2. Женщина, переболевшая во время беременности коревой краснухой, родила глухого сына. У неё и мужа слух нормальный, в родословной обоих супругов глухота не отмечена. Определите возможный механизм появления глухоты у ребёнка; вероятность повторного рождения глухого ребёнка в данной семье; вероятность рождения глухих внуков, если их глухой сын, став взрослым, женится на глухонемой женщине, у которой родители и обе сестры тоже глухонемые (ген глухоты рецессивный).
3. Под действием мутагена в клетке А были повреждены обе полинуклеотидные цепочки одной молекулы ДНК в одном и том же участке хромосомы, а в клетке Б повреждена только одна цепочка молекулы ДНК, но во всех хромосомах. Какая клетка пострадала сильнее?
Максимальное количество баллов за выполненное задание – 6 баллов.
Контрольные вопросы для выявления итогового уровня знаний по теме
1. Что называется изменчивостью? Что называется наследственной и ненаследственной изменчивостью? Какая изменчивость называется комбинативной, мутационной и онтогенетической?
2. Что называется мутацией и мутагенезом? Каковы основные положения мутационной теории? Как классифицируют мутации по характеру изменения генома? Как классифицируют мутации по проявлению в гетерозиготе? Как классифицируют мутации в зависимости от причин их возникновения? Как классифицируют мутации по возможности наследования? Как классифицируют мутации по влиянию на жизнеспособность?
3. Какова опасность антропогенного загрязнения окружающей среды для наследственного аппарата человека? К чему может привести повышение уровня радиационного и химического загрязнения окружающей среды? Как влияет антропогенное загрязнение окружающей среды на частоту злокачественных раковых заболеваний? Какие вещества называются антимутагенами?
Семинар № 2. – 29.11.13