Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 50 – учебник для 7 класса; § 7 и 34 – учебник для 10 класса.
Мутации индуцированные и спонтанные. Как вы помните, мутации – это устойчивые изменения наследственного материала, связанные со случайными «нарушениями», ошибками в нормальных процессах передачи наследственных признаков.
Все мутации можно подразделить на спонтанные (естественные) и индуцированные, вызванные искусственно и (или) при обязательном воздействии мутагенов. Индуцированными будут считаться мутации: 1) целенаправленно полученные в лабораториях под воздействием определенных доз мутагенов; 2) полученные при выбросе мутагенов в результате ядерной бомбардировки или аварии на АЭС; 3) при резком изменении природного мутагенного воздействия без участия человека, например при выходе на поверхность радиоактивных ископаемых в результате смещения геологических пластов при землетрясении.
Спонтанные мутации возникают постоянно, самопроизвольно, без каких-либо воздействий, в обычных условиях обитания организма. Но количество таких мутаций очень мало. Так, учеными подсчитано, что каждый нуклеотид может мутировать за время нахождения в одной клетке с вероятностью от 0,0000000001 до 0,0000000000001 процента. Но учитывая количество нуклеотидов в клетке и количество клеточных делений на протяжении жизни многоклеточного организма (или количество потомков бактериальных клеток), появление некоторых естественных мутаций уже не кажется таким невероятным.
Мутации появляются постоянно в результате процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, в ходе которых могут возникать мутации, – это репликация ДНК и генетическая рекомбинация (процессы обмена генетическим материалом).
Связь мутаций с репликацией объясняется сложностью и высокой частотой этого явления. Напомним, что репликация – это процесс удвоения молекулы ДНК, который обязательно предшествует размножению любой клетки. Этот процесс достаточно сложный и одновременно невероятно быстрый. Так у эукариот реплицируется примерно 100 нуклеотидов в секунду, а у прокариот – около тысячи. Как вы знаете, ДНК – двуцепочная молекула, в которой нуклеотиды образуют строго определенные пары А–Т и Г–Ц по принципу комплементарности. Во время репликации, которая контролируется большим количеством сложных ферментов, неизбежно возникают «ошибки». Самые часто встречающиеся и самые мелкие из них – это мутации, которые называются генными, или точковыми. Они представляют собой изменение всего одного или нескольких нуклеотидов в пределах одного гена. К ошибкам репликации в данном случае относятся именно изменения порядка нуклеотидов во вновь синтезированных молекулах ДНК.
Все мутации – «ошибки» репликации – можно обобщенно поделить на четыре группы:
1. Выпадение нуклеотида, когда ген в целом становится на один нуклеотид короче. В результате такого изменения чаще всего меняется вся последовательность аминокислот в белке (зашифрованных после аминокислот мутантного нуклеотида).
2. Удвоение нуклеотидов. Здесь происходит то же, что и при выпадении, т. е. сдвиг.
3. Вставка нуклеотидов – появление в генетическом коде нехарактерного для материнской ДНК лишнего нуклеотида. Это одна из форм удвоения.
4. Замена – изменение, связанное с заменой одного нуклеотида другим.
Данные по всем четырем типам мутаций представлены в табл. 5.
Рис. 21. Спонтанные мутации как ошибки репликации
1 – цепи матричной, или материнской, молекулы ДНК; 2 – вновь синтезируемые или «дочерние» цепи ДНК, комплементарные матричным: 2а – основная цепь; 2б – «запаздывающая», или прерывистая, цепь. 3 – ДНК-полимераза – основной фермент репликации (другие многочисленные вспомогательные ферменты в схеме не указаны); 4 – точечная генная мутация – «замена». Нуклеотид аденин возник вместо гуанина, так как в предыдущем туре репликации цитозин изменился на урацил под воздействием химического мутагена – азотистой кислоты. 5 – точечная генная мутация – «выпадение». Нуклеотид гуанин под воздействием химического мутагена любой природы не получил комплементарного основания. (Следует иметь в виду, что в реальности обе эти мутации не могут возникнуть напротив друг друга.)
Замены нуклеотидов. Существуют мутагены (чаще это химические вещества, реже – физические агенты), которые могут изменять нуклеотиды химически. Например, отнимать у цитозина азотную группу. Цитозин становится химически похожим на аденин. В результате напротив него вместо гуанина в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У–Г вместо Ц–Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин, образуется пара У–А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т–А (рис. 21).
Такой тип мутаций-замен подразделяют на два вида в зависимости от того, какие пары на какие заменились. Если произошла замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин, они называются транзициями. Если же пурин изменился на пиримидин, или наоборот, то такие точечные мутации-замены называются трансверсиями.
Считается, что именно такие замены – трансверсии чаще, транзиции реже – могут быть причиной опухолевых заболеваний.
Спонтанные мутации, индуцированные мутации, репликация ДНК.
Знание и понимание
1. Объясните, почему важно, чтобы при репликации генетическая информация была скопирована абсолютно точно.
2. Как вы понимаете, что такое спонтанные мутации?
Применение
1. Для чего необходимо изучать мутации?
2. Сравните четыре вида точковых мутаций.
Анализ
1. Сравните имеющуюся схему немутантного фрагмента ДНК № 1 с его мутантными фрагментами № 2, № 3, № 4, № 5. Определите: 1) какой нуклеотид
и в каком из триплетов мутировал в каждом из вариантов; 2) к какому типу мутаций относится каждое из предложенных изменений:
№ 1 ТАЦ–ААГ–ЦЦА–ГЦА–ТТЦ–
№ 2 ТАЦ–ЦАА–ГЦЦ–АГЦ–АТТ–
№ 3 ТАЦ–ААГ–ЦЦЦ–ГЦА–ТТЦ–
№ 4 ТАЦ–ААГ–ЦЦА–ГАТ–ТЦГ–
№ 5 ТАЦ–ААА–ГЦЦ–АГЦ–АТТ–
2. Изобразите в виде схемы изменения, произошедшие в каждом из четырех типов мутаций, гипотетически обозначив аминокислоты номерами. Какие из аминокислот в каком случае подверглись изменениям?
Синтез
1. Порассуждайте, почему мутации часто происходят именно в процессе репликации.
2. Порассуждайте над верностью высказывания ученых: «Все мы, ныне живущие организмы планеты Земля, мутанты относительно первых ее обитателей».
Оценка
1. Напишите реферат о трансверсиях, транзициях, нонсенс-, миссенс-мутациях и разнице между ними.
2. Используя дополнительные источники информации и таблицу генетического кода, постарайтесь расшифровать немутантную и мутантные нуклеотидные последовательности ДНК № 1–5, предложенные в качестве заданий «Анализа». Запишите аминокислоты мутантных и немутантного белков. Оцените возможные последствия разного рода мутаций на данном примере.