Генотипическая изменчивость

Введение

1. Генетика и история ее развития
2. Наследственность и изменчивость
3. Клетка - элементарная единица живого
4. Клеточная теория
5. Типы клеточной организации
6. Структурно-функциональная организация клеток эукариотического и прокариотического типов

6.1 Строение и функционирование  клетки растений

.2 Строение и функционирование  клетки животных

.3 Строение и функционирование  бактериальной клетки

1. Химический состав и структура вирусов
2. Материальные основы наследственности

8.1 Нуклеиновые кислоты  - молекулярные носители наследственности

1. Строение и функционирование генома бактерий
2. Биологический синтез белка
3. Изменчивость бактерий

11.1 Фенотипическая изменчивость

.2 Генотипическая изменчивость

. Особенности генетики  вирусов

. Методы молекулярно-генетического  анализа

. Понятие о биотехнологии  и генной инженерии

 

Введение

 

Геологией доказано, что  возраст Земли составляет 4,5-4,6 млрд лет. По мнению ученых, около 3,8 млрд лет  тому назад жизнь стала основным фактором круговорота углерода на планете. Первыми появились организмы, которые  современная наука называет прокариотами. Это одноклеточные существа, по сравнению  с многоклеточными организмами, отличающиеся простотой строения и  функций. К ним относят бактерий и сине-зеленые водоросли. С эволюцией  названных микро-существ, связывают  появление механизма фотосинтеза  и организмов эукариотического типа.

Представителей живой  природы условно можно разделить  на существа, относящиеся к макро- и микромиру. К макромиру относятся  животные всех видов: птицы, насекомые, гельминты и т. д., к микромиру - бактерии, вирусы, рикетсии, микоплазмы, грибы, простейшие, прионы, нуклеиновые  кислоты (инфекционные ДНК и РНК). Бактерии, грибы, простейшие являются одноклеточными представителями микромира  и к ним применим термин «микроорганизмы», так как они представляют собой  самостоятельные, способные к автономному  существованию организмы.

Вирусы, прионы, нуклеиновые  кислоты (инфекционные ДНК и РНК), не являются организмами в полном смысле этого слова в связи  с тем, что не имеют органелл, не обладают собственным метаболизмом, используют для своей жизнедеятельности  ресурсы клеток животных, человека, растений.

Объединяющим термином для  всех форм микромира является термин «микробы».

На нашей планете обитает  огромное количество микробов, исчисляемое  астрономическими цифрами. В процессе своей жизнедеятельности микробы  оказывают существенное влияние  на неживую и живую природу. Известно, что бактерии обеспечивают круговорот веществ и энергии в природе, плодородие почв, поддержание газового состава и т. д.

Многие микробы болезнетворные для человека, животных, птиц, насекомых, растений.

Мир микробов изучает микробиология - наука о микробах. Она делится  на ряд отделов и дисциплин. Вследствие процесса дифференциации, постепенного обособления узких областей изучения и познания микробов родилась генетика микроорганизмов - наука, изучающая  их наследственность и изменчивость.

Необходимо отметить, что  учебная программа для высших учебных заведений по специальности  «Ветеринарная медицина» мало уделяет  внимания вопросам изучения генетики микроорганизмов. В учебниках по микробиологии и иммунологии, а  также в учебниках по генетике недостаточно всесторонне и полно  освещены аспекты генетики микробов.

Микробная клетка является своего рода биофабрикой, синтезирующей  огромное число биологически активных соединений. Она продуцирует более 2500 белков, ферментов, полисахаридов, липидов, витаминов и других веществ. В  этой связи в производственных условиях применяют актиномицеты и грибы  для получения антибиотиков, дрожжи - кормового белка, бациллы - для синтеза  ферментов, клостридии - для сбраживания  сахаров в ацетон, этанол, молочно-кислые бактерии - в пищевой промышленности и т. д.

Из многих патогенных микроорганизмов  селекционированы штаммы, предназначенные  для изготовления вакцин, гипериммунных  сывороток, иммуноглобулинов, диагностических препаратов. Многие микробы используют для получения рекомбинантных штаммов - продуцентов гармонов, интерферонов, иммуностимуляторов.

Сознательное, целенаправленное и эффективное использование  микробов для практических нужд в  ветеринарии, медицине и других областях человеческой деятельности немыслимо  без знаний их генетики.

В представленной книге мы попытались обобщить и сконцентрировать доступный литературный материал по генетике микробов и личный опыт преподавания генетики, микробиологии и иммунологии.

Полагаем, что книга будет  представлять интерес для специалистов биологического профиля: микробиологов, иммунологов, работников биопредприятий, сотрудников исследовательских  институтов, преподавателей, студентов  ВУЗов и техникумов.

Книга предлагается в качестве учебного пособия при изучении генетики микроорганизмов.

 

1. Генетика и история  ее развития

 

Генетика (от греч. genesis - происхождение) - наука о наследственности и изменчивости организмов.

Основоположником генетики является Иоганн Грегар Мендель (1822-1884). Официальной датой рождения генетики считают 1900-й год, когда были переоткрыты  закономерности наследственности, впервые  установленные Г. Менделем.

Название науки о наследственности и изменчивости было дано английским генетиком В. Бэтсоном в 1906 году.

В 1865 году Г. Мендель опубликовал  книгу «Опыты над растительными  гибридами». Основными выводами работы исследователя явились открытые им законы наследования - закон доминирования, закон расщепления признаков  в потомстве и закон независимого распределения наследственных факторов при расщеплении. Эти законы переоткрыли  в 1900 году три ботаника - голландец  Г. Де-фриз, немец К. Корренс, австриец Ф. Чермак.

В дальнейшем опыты по гибридизации разных растений и животных показали, что правила наследования признаков  имеют универсальный характер и  едины для всего органического  мира.

Генетики Т. Боверт, У. Сэттон и Э. Вильсон выявили определенную связь между наследственными  факторами и хромосомами (1902-1907). Было установлено, что наследственные факторы содержатся в клетке. Ученые сделали вывод о том, что преемственность свойств в ряду поколений организмов определяется преемственностью их хромосом.

Решающее значение для  обоснования хромосомной теории наследственности имели опыты Г. Моргана (1866-1945) и его учеников, выполненные  на дрозофиле (1910). Было установлено, что  гены расположены в хромосомах в  линейном порядке. Гены одной хромосомы  образуют группу сцепления и, как  правило, наследуются совместно, однако, в связи с кроссинговером может  происходить их перекомбинация. В  трудах Моргана нашел отражение  важнейший принцип генетики - единство дискретности и непрерывности наследственного  материала.

Большое значение в это  время имела теория мутаций, предложенная Г. Де-фризом (1901 -1902).

Датский генетик В. Иогансен на основе опытов по изучению наследования признаков у фасоли ввел в генетику важнейшие понятия - чистая линия, ген, генотип, фенотип (1908-1909). В последующие  годы (1925-1933) развитие генетики связано  с установлением материальных основ  наследственности, развертыванием широкого фронта работ по изучению мутогенеза, делимости гена, процессов, происходящих в популяциях и т. д. В этот период были заложены основы биохимической, популяционной, эволюционной, ветеринарной генетики.

Необходимо подчеркнуть, что хромосомная теория явилась  крупнейшим обобщением экспериментальных  исследований по изучению наследственности и изменчивости организмов. Однако мутации гена представлялись как  результат самопроизвольных изменений  его, независящих от условий внешней  среды. Впервые в мире Г.А. Надсону  и Г.С. Филиппову (1925) удалось получить большое количество мутаций у  дрожжевых грибков под воздействием лучей радия, а американскому  генетику Г. Миллеру (1927) у дрозофилы  под влиянием лучей рентгена.

В результате работ ученых (В.В. Сахаров, М.Е. Лобашев, И.А. Раппопорт) в 30-40-х годах ХХ столетия была создана  теория химического мутогенеза. Большой  вклад в эту теорию внес английский генетик Ш. Ауэрбах.

В 1920 году Н.И. Вавиловым сформулирован  закон гомологических рядов, который  явился основой для направленного  получения мутаций.

Теорию сложного строения гена обосновали А.С. Серебровский и  Н.П. Дубинин. Они впервые указали  на делимость гена и доказали, что  ген состоит из отдельных субъединиц, способных разделится и самостоятельно мутировать.

Работами С. Райта, ДЖ. Холдена  и Р. Фишера (1920-1980) были заложены основы генетико-математических методов изучения процессов, происходящих в популяциях. Решающий вклад в создание генетики популяций и эволюционной генетики внес С. Четвериков и его ученики (1920).

Генетика популяций явилась  основой теории селекции.

Работами американских биохимиков Г. Бидла и Э. Татума были заложены основы биохимической генетики.

Датой рождения генетики микроорганизмов  считают 1943 год, когда появились  работы С. Луриа и М. Дельбрука, которые  показали, как проводить опыты  с микроорганизмами, вести учет их признаков, количественный анализ полученных результатов и т. д. Эти ученые акцентировали внимание экспериментаторов  на микроорганизмах, как весьма удобных  объектах для генетических исследований, так как микробы гаплоидны, у  них одна хромосома, живут 20-30 минут, дают многочисленное потомство, обладают хорошо регистрируемыми признаками и т. д.

В 1944 году американский микробиолог-генетик  О. Эвери доказал, что носителем  наследственности является ДНК.

В 1952 году А. Херши и М. Чейз установили, что бактериофаги проникают в бактериальные клетки не сами, а только их ДНК, но, не смотря на это, в бактериях происходит формирование зрелых фаговых частиц. Следовательно, ДНК фага является носителем наследственной информации.

Величайшим достижением  биологической науки явилась  расшифровка строения молекулы ДНК. Сделали это английский ученый Ф. Крик и американский ДЖ. Уотсон (1953).

Американский генетик  А.Корнберг искусственно создал вирусную частицу и осуществил синтез ДНК (1957-1958).

М. Мезельсон и Ф. Сталь (1958) показали, что синтез ДНК происходит в клетках на расходящихся нитях  двойной спирали.

М. Ниренберг, Г. Маттеи, С. Очоа и Ф. Крик (1961-1962) расшифровали код  наследственности и состав нуклеиновых  триплетов для всех 20 аминокислот, из которых строятся белковые молекулы. В это же время французские  ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно разработали  общую теорию регуляции белкового  синтеза. Они предложили схему генетического  контроля синтеза ферментов у  бактерий.

В 1969 году Г. Корана осуществил синтез гена клетки дрожжевого грибка, а Д. Бэквитс с сотрудниками выделил  ген бета-галоктозидазы из кишечной палочки.

В настоящее время генетика является одной из ведущих наук современной  биологии. Для генетики характерно влияние на ее развитие принципов  и методов исследования других наук и возрастающая связь со многими  биологическими науками. В тоже время  в самой генетике идет усиливающийся процесс дифференциации отдельных узких направлений исследований в самостоятельные науки. Так, наряду с общей генетикой возникли: цитогенетика, генетика популяций, биохимическая генетика, генетика человека, ветеринарная генетика, генетика вирусов, математическая генетика, генетика микроорганизмов и т. д.

Генетика микроорганизмов - это наука о наследственности микроорганизмов, их наследуемой и  не наследуемой изменчивости. Необходимо отметить, что общая генетика явилась  важной основой для развития молекулярной биологии, а генетика микроорганизмов  явилась базой для изучения многих вопросов наследственности и изменчивости, т. е. для развития самой генетики. Еще раз необходимо подчеркнуть, что микробы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие) явились удобной моделью  для проведения генетических исследований. Микробы были использованы как наиболее подходящий объект для изучения природы  генетического материала, его организации  и функционирования в связи со следующими их особенностями.

У бактерий имеется одна хромосома и поэтому оценка генетических изменений возможна уже в первом поколении клеток. Важным преимуществом  микроорганизмов является высокая  скорость размножения их, простое  химическое строение, простота культивирования  и возможность при этом изменений  условий выращивания клеток, высокая  частота мутаций, способности к  комбинированной и мутационной  изменчивости.

Благодаря использованию  в генетических исследованиях микроорганизмов, генетика была обогащена рядом выдающихся открытий: установлена химическая природа  наследственного материала, решена проблема генетического кода ДЖ. Уотсон, Ф. Крик,1953), изучена структура гена (Бензер, 1955), расшифрован способ репликации ДНК (М. Мезельсон, Ф. Сталь, 1958), установлены  механизм мутаций и репликаций, выявлено наличие информационной РНК и  т. д. Достижения в области генетики микроорганизмов явились основой  для создания генной инженерии - важнейшей  прикладной отрасли во многих сферах человеческой деятельности.

Развитие генетики микроорганизмов  тесно связано с развитием  цитологии, а развитие и становление  цитологии с созданием и усовершенствованием  оптических устройств, позволяющих  рассмотреть и изучить клетки. В 1609-1610 г.г. Галилео Галилей сконструировал первый микроскоп. Сконструированный  и усовершенствованный им микроскоп  давал увеличение в 35-40 раз. И. Фабер  дал прибору название «микроскоп».