Genotípico

1. Combinativo

2. Mutacional

A formação de vários tipos de variabilidade é consequência da interação entre o ambiente e o genótipo.

Características da variabilidade fenotípica.

Variabilidade fenotípica - mudanças no fenótipo que ocorrem sob a influência de condições ambientais que não afetam o genótipo, embora o grau de sua severidade seja determinado pelo genótipo.

Variabilidade ontogenética - esta é uma mudança constante de sinais no processo de desenvolvimento de um indivíduo (ontogenia de anfíbios, insetos, desenvolvimento de sinais morfofisiológicos e mentais em humanos).

Variabilidade de modificação - alterações fenotípicas decorrentes da influência de fatores ambientais sobre o corpo.

A variabilidade de modificação é determinada pelo genótipo. As modificações não são herdadas e são sazonais e ambientais.

Modificações sazonais - mudança de características geneticamente determinada como resultado de mudanças sazonais nas condições climáticas.

Modificações ambientais - mudanças adaptativas no fenótipo em resposta a mudanças nas condições ambientais. Fenotipicamente, eles se manifestam no grau de expressão do traço. As modificações ecológicas afetam os sinais quantitativos (peso dos animais, prole) e qualitativos (cor da pele humana sob a influência dos raios UV).

Propriedades do mod:

As modificações não são herdadas.

Ocorrem gradualmente, têm formas transitórias.

As modificações formam séries contínuas e são agrupadas em torno do valor médio.

Surgem direcionalmente - sob a influência do mesmo fator ambiental, um grupo de organismos muda de maneira semelhante.

Adaptativo ( adaptável ) têm todas as modificações mais comuns.

Assim, um aumento no número de eritrócitos e no conteúdo de Hb no sangue de animais e humanos nas montanhas representam uma adaptação para um melhor uso do oxigênio. A queimadura solar é uma adaptação aos efeitos da insolação excessiva. Foi estabelecido que apenas as modificações causadas por mudanças comuns nas condições naturais são adaptativas. Não tem modificações de valor adaptativo causadas por vários fatores químicos e físicos. Assim, ao expor pupas de Drosophila a temperaturas elevadas, podem ser obtidos indivíduos com asas torcidas, com recortes sobre elas, que se assemelham a mutações.

Modificações ambientais reversível e com a mudança de gerações, sujeito a mudanças no ambiente externo, eles podem não aparecer (flutuações na produção de leite, mudança no número de eritrócitos e leucócitos em doenças ou mudanças nas condições de vida). Se as condições não mudam em várias gerações, o grau de expressão da característica na prole é preservado. Tais modificações são chamadas de longo prazo. Quando as condições de desenvolvimento mudam, as modificações de longo prazo não são herdadas. A opinião é errônea de que pela educação e influência externa é possível fixar uma nova característica na prole (um exemplo de treinamento de cães).

As modificações são usadas adequado personagem, ou seja o grau de manifestação do traço é diretamente dependente do tipo e duração do fator. Assim, a melhoria das condições da pecuária provoca um aumento na massa de animais.

Uma das principais propriedades das modificações é sua personagem de massa - o mesmo fator causa a mesma mudança em indivíduos genotipicamente semelhantes. O limite e a gravidade das modificações são controlados pelo genótipo.

As modificações têm vários graus de durabilidade: longo e curto prazo. Assim, um bronzeado em uma pessoa desaparece após o término da ação da insolação. Outras modificações que surgiram nos estágios iniciais de desenvolvimento podem persistir ao longo da vida (pernas arqueadas após o raquitismo).

As modificações são inequívocas para os organismos mais primitivos e altamente organizados. Essas modificações incluem alterações fenotípicas associadas à nutrição. Alterações não só na quantidade, mas também na qualidade dos alimentos podem causar as seguintes modificações: beribéri humano, distrofia, raquitismo. As modificações humanas mais comuns incluem sinais fenotípicos causados ​​pela atividade física: aumento do volume muscular como resultado do treinamento, aumento do suprimento sanguíneo, mudanças negativas no estilo de vida sedentário.

Como as modificações não são herdadas, é importante na prática médica distingui-las das mutações. Modificações que ocorrem em humanos são passíveis de correção, enquanto mudanças mutacionais causam patologias incuráveis.

As variações na expressão gênica não são ilimitadas. Eles são limitados pela reação normal do corpo.

taxa de reação - este é o limite da variabilidade de modificação da característica. A taxa de reação é herdada, não as modificações em si, ou seja, a capacidade de desenvolver um traço, e a forma de sua manifestação depende das condições ambientais. A velocidade de reação é uma característica quantitativa e qualitativa específica do genótipo. Existem sinais com uma taxa de reação ampla e uma estreita. O amplo inclui indicadores quantitativos: a massa de animais, o rendimento das colheitas. Uma taxa de reação estreita se manifesta em sinais qualitativos: a porcentagem de teor de gordura no leite, o teor de proteínas no sangue de uma pessoa. Uma taxa de reação inequívoca também é característica da maioria das características qualitativas - cor do cabelo, olhos.

Sob a influência de alguns fatores prejudiciais que uma pessoa não encontra no processo de evolução, pode ocorrer variabilidade de modificação que está fora da norma da reação. Ocorrem deformidades ou anomalias, que são chamadas de morfoses. São mudanças nas características morfológicas, bioquímicas e fisiológicas dos mamíferos. Por exemplo, 4 corações, um olho, duas cabeças; em humanos - a ausência de membros em crianças ao nascimento, obstrução intestinal, inchaço do lábio superior. A causa de tais mudanças são teratógenos: a droga talidomida, quinina, o alucinógeno LSD, drogas, álcool. A morfose altera drasticamente uma nova característica, em contraste com as modificações que causam mudanças na gravidade de uma característica. As morfoses podem ocorrer durante períodos críticos da ontogenia e não são de natureza adaptativa.

Fenotipicamente, as morfoses são semelhantes às mutações e, nesses casos, são chamadas de fenocópias. O mecanismo de fenocópias é uma violação da implementação de informações hereditárias. Eles surgem devido à supressão da função de certos genes. Em sua manifestação, eles se assemelham à função de genes conhecidos, mas não são herdados.

Variabilidade genotípica. O valor da variabilidade combinativa na garantia do polimorfismo genético da humanidade.

Variabilidade genotípica - a variabilidade de um organismo devido a uma mudança no material genético de uma célula ou combinações de genes no genótipo, que pode levar ao aparecimento de novos traços ou a uma nova combinação deles.

A variabilidade que ocorre ao cruzar, como resultado de várias combinações de genes, sua interação entre si, é chamada de combinatório. Neste caso, a estrutura do gene não muda.

Mecanismos para a ocorrência de variabilidade combinativa:

travessia;

divergência independente de cromossomos na meiose;

combinação aleatória de gametas durante a fertilização.

A variabilidade de combinação é herdada de acordo com as regras de Mendel. A manifestação de características na variabilidade combinativa é influenciada pela interação de genes de um e de diferentes pares alélicos, alelos múltiplos, efeito pleiotrópico de genes, ligação gênica, penetrância, expressividade gênica, etc.

Devido à variabilidade combinativa, é fornecida uma grande variedade de características hereditárias em humanos.

A manifestação da variabilidade combinativa em humanos é influenciada pelo sistema de cruzamento ou pelo sistema de casamentos: endogamia e endogamia.

Endogamia - casamento consanguíneo. Pode ser próximo a vários graus, dependendo do grau de parentesco daqueles que se casam. O casamento de irmãos com irmãs ou pais com filhos é chamado de primeiro grau de parentesco. Menos próximos - entre primos e irmãs, sobrinhos com tios ou tias.

A primeira consequência genética importante da endogamia é um aumento na homozigosidade da prole a cada geração para todos os genes herdados independentemente.

A segunda é a decomposição da população em várias linhas geneticamente diferentes. A variabilidade da população endogâmica aumentará, enquanto a variabilidade de cada linhagem isolada diminuirá.

A endogamia geralmente leva ao enfraquecimento e até à degeneração da prole. Em humanos, a endogamia é geralmente prejudicial. Isso aumenta o risco de doença e morte prematura da prole. Mas exemplos de endogamia próxima de longo prazo, não acompanhados de consequências prejudiciais, são conhecidos, por exemplo, a genealogia dos faraós do Egito.

Como a variabilidade de qualquer tipo de organismo em um dado momento é um valor finito, fica claro que o número de ancestrais em qualquer geração deve exceder o número de espécies, o que é impossível. Isso implica que entre os ancestrais havia casamentos em vários graus de parentesco, o que reduzia o número real de ancestrais diferentes. Isso pode ser demonstrado pelo exemplo de uma pessoa.

Uma pessoa tem uma média de 4 gerações por século. Então, 30 gerações atrás, ou seja, por volta de 1200 d.C. cada um de nós deveria ter 1.073.741.824 ancestrais. De fato, o número naquela época não chegava a 1 bilhão.Temos que concluir que no pedigree de cada pessoa havia muitos casamentos entre parentes, embora a maioria tão distantes que não suspeitavam de seu relacionamento.

De fato, tais casamentos ocorreram com muito mais frequência do que se segue da consideração acima, pois. durante a maior parte de sua história, a humanidade existiu na forma de povos isolados e grupos tribais.

Portanto, a irmandade de todas as pessoas é de fato um fato genético real.

Outbreeding - casamento não relacionado. Indivíduos não relacionados são indivíduos que não têm ancestrais comuns em 4-6 gerações.

Outbreeding aumenta a heterozigosidade da prole, combina alelos em híbridos que existiam separadamente nos pais. Genes recessivos prejudiciais encontrados em pais em um estado homozigoto são suprimidos em descendentes heterozigotos para eles. A combinação de todos os genes no genoma dos híbridos aumenta e, consequentemente, a variabilidade combinatória será amplamente manifestada.

A variabilidade combinatória na família diz respeito tanto aos genes normais quanto aos patológicos que podem estar presentes no genótipo dos cônjuges. Ao abordar questões de aspectos médicos e genéticos da família, é necessário estabelecer com precisão o tipo de herança da doença - autossômica dominante, autossômica recessiva ou ligada ao sexo, caso contrário o prognóstico será incorreto. Se ambos os pais têm um gene anormal recessivo em um estado heterozigoto, a probabilidade de uma criança ter uma doença é de 25%.

A frequência de síndrome de Down em crianças nascidas de mães de 35 anos de idade - 0,33%, 40 anos ou mais - 1,24%.

variabilidade mutacional. Teoria de H. De Vries. Classificação e características das mutações.

Variabilidade mutacional - este é um tipo de variabilidade em que há uma mudança abrupta e intermitente em um traço hereditário. Mutações - são mudanças súbitas e persistentes no aparelho genético, incluindo tanto a transição de genes de um estado alélico para outro quanto várias mudanças na estrutura dos genes, no número e na estrutura dos cromossomos e nos plasmógenos citoplasmáticos.

Prazo mutação foi proposto pela primeira vez por H. de Vries em sua obra Mutation Theory (1901-1903). As principais disposições desta teoria:

As mutações ocorrem de repente, novas formas são bastante estáveis.

As mutações são mudanças qualitativas.

As mutações podem ser benéficas ou prejudiciais.

As mesmas mutações podem ocorrer repetidamente.

Todas as mutações são divididas em grupos (Tabela 9). O papel principal pertence mutações generativas que ocorre nas células germinativas. Mutações generativas que causam uma mudança nas características e propriedades do organismo podem ser detectadas se o gameta que carrega o gene mutante estiver envolvido na formação de um zigoto. Se a mutação for dominante, uma nova característica ou propriedade aparece mesmo em um indivíduo heterozigoto originado desse gameta. Se a mutação é recessiva, ela só pode aparecer após várias gerações quando passa para o estado homozigoto. Um exemplo de mutação dominante generativa em humanos é o aparecimento de bolhas na pele dos pés, cataratas do olho, braquifalangia (dedos curtos com insuficiência das falanges). Um exemplo de mutação generativa recessiva espontânea em humanos é a hemofilia em famílias individuais.

Tabela 9 - Classificação das mutações

Mutações somáticas por sua natureza, não são diferentes dos generativos, mas seu valor evolutivo é diferente e é determinado pelo tipo de reprodução do organismo. Mutações somáticas desempenham um papel em organismos com reprodução assexuada. Assim, em plantas frutíferas de propagação vegetativa, uma mutação somática pode dar origem a plantas com uma nova característica mutante. A herança de mutações somáticas é atualmente de particular importância em conexão com o estudo das causas do câncer em humanos. Supõe-se que para tumores malignos, a transformação de uma célula normal em uma célula cancerosa ocorre de acordo com o tipo de mutações somáticas.

Mutações genéticas ou pontuais - estas são alterações citologicamente invisíveis nos cromossomos. As mutações genéticas podem ser dominantes ou recessivas. Os mecanismos moleculares das mutações genéticas se manifestam em uma mudança na ordem dos pares de nucleotídeos em uma molécula de ácido nucleico em locais individuais. A essência das alterações intragênicas locais pode ser reduzida a quatro tipos de rearranjos de nucleotídeos:

Substituição pares de bases em uma molécula de DNA:

a) Transição: substituição de bases púricas por bases púricas ou bases pirimídicas por bases pirimídicas;

b) Transversão: substituição de bases púricas por bases pirimídicas e vice-versa.

eliminação (perda) de um par ou grupo de bases em uma molécula de DNA;

Inserir um par ou grupo de bases em uma molécula de DNA;

duplicação – repetição de um par de nucleotídeos;

Permutação posições de nucleotídeos dentro de um gene.

Mudanças na estrutura molecular de um gene levam a novas formas de eliminar a informação genética dele, que é necessária para a ocorrência de processos bioquímicos na célula, e leva ao surgimento de novas propriedades na célula e no organismo como um todo . Aparentemente, as mutações pontuais são as mais importantes para a evolução.

De acordo com a influência na natureza dos polipeptídeos codificados, as mutações pontuais podem ser representadas como três classes:

Mutações sem sentido - ocorrem quando um nucleotídeo é substituído dentro de um códon e causa a substituição de um aminoácido incorreto em um determinado local da cadeia polipeptídica. O papel fisiológico da proteína está mudando, o que cria um campo para a seleção natural. Esta é a principal classe de mutações intragênicas pontuais que aparecem na mutagênese natural sob a influência de radiação e mutagênicos químicos.

Mutações sem sentido - o aparecimento de códons terminais dentro do gene devido a mudanças em nucleotídeos individuais dentro do códon. Como resultado, o processo de tradução é interrompido no local do aparecimento do códon terminal. O gene é capaz de codificar apenas fragmentos do polipeptídeo até o ponto em que o códon terminal aparece.

Mutações de mudança de quadro leitura ocorrem quando inserções e deleções ocorrem dentro de um gene. Nesse caso, após o site modificado, todo o conteúdo semântico do gene muda. Isso é causado por uma nova combinação de nucleotídeos em trigêmeos, uma vez que os trigêmeos, após serem eliminados ou inseridos, adquirem uma nova composição devido ao deslocamento de um par de nucleotídeos. Como resultado, toda a cadeia polipeptídica adquire outros aminoácidos errados após o local da mutação pontual.

Rearranjos cromossômicos surgem como resultado da ruptura de seções do cromossomo e suas recombinações. Distinguir:

Deficiências e exclusões - falta, respectivamente, da porção terminal e média do cromossomo;

Duplicações - duplicação ou multiplicação de certas seções do cromossomo;

Inversões - uma mudança no arranjo linear dos genes no cromossomo devido a uma inversão de 180˚ de seções individuais do cromossomo.

Rearranjos intercromossômicos associada à troca de regiões entre cromossomos não homólogos. Tais mudanças são chamadas translocações.

Genômico mutações afetam o genoma da célula e causam uma mudança no número de cromossomos no genoma. Isso pode ser devido a um aumento ou diminuição no número de conjuntos haploides ou cromossomos individuais. As mutações genômicas são poliploidia e aneuploidia.

Poliploidia - mutação genômica, que consiste em um aumento no número de cromossomos, um múltiplo do haploide. Células com diferentes números de conjuntos haploides de cromossomos são chamadas: 3n - triploides, 4n - tetraplóides, etc. A poliploidia leva a uma mudança nas características do organismo: aumento da fertilidade, tamanho celular e biomassa. Usado no melhoramento de plantas. A poliploidia também é conhecida em animais, por exemplo, em ciliados, bichos-da-seda e anfíbios.

Aneuploidia - mudança no número de cromossomos que não é múltiplo do conjunto haploide: 2n+1; 2n-1; 2n-2; 2n+2. Em humanos, tais mutações causam patologias: síndrome da trissomia no cromossomo X, trissomia no cromossomo 21 (doença de Down), monossomia no cromossomo X, etc. O fenômeno da aneuploidia mostra que uma violação do número de cromossomos leva a uma mudança na estrutura e a uma diminuição da viabilidade do organismo.

Mutações citoplasmáticas - esta é uma mudança nos plasmógenos, levando a uma mudança nos sinais e propriedades do organismo. Tais mutações são estáveis ​​e são transmitidas de geração em geração, como a perda de citocromo oxidase nas mitocôndrias de leveduras.

De acordo com o valor adaptativo, as mutações são divididas em: útil, prejudicial(letal e semi-letal) e neutro. Esta divisão é condicional. Existem transições quase contínuas entre mutações benéficas e letais devido à expressividade do gene. Um exemplo de mutações letais e subletais em humanos é a epiloia (síndrome caracterizada por proliferação cutânea, retardo mental) e a epilepsia, assim como a presença de tumores do coração, rins, ictiose congênita, idiotia amaurótica (deposição de matéria gordurosa no sistema nervoso central, acompanhada de degeneração da medula, cegueira), talassemia, etc.

Mutações espontâneas ocorrem naturalmente sem exposição especial a agentes incomuns. O processo de mutação é caracterizado principalmente pela frequência de ocorrência de mutações. Uma certa frequência de ocorrência de mutações é característica de cada tipo de organismo. Algumas espécies têm maior variabilidade mutacional do que outras. As regularidades estabelecidas na frequência de mutações espontâneas são reduzidas às seguintes disposições:

genes diferentes no mesmo genótipo sofrem mutações em diferentes frequências (há genes mutáveis ​​e estáveis);

genes semelhantes em diferentes genótipos sofrem mutações em taxas diferentes.

Cada gene sofre mutações com pouca frequência, mas desde o número de genes no genótipo é grande, então a frequência total de mutação de todos os genes é bastante alta. Assim, em humanos, a frequência de ocorrência de mutações na população é de 4,10 -4 para talassemia, 2,8,10 -5 para albinismo e 3,2,10 -5 para hemofilia.

A frequência da mutagênese espontânea pode ser influenciada por genes específicos - genes mutantes , o que pode alterar drasticamente a mutabilidade do organismo. Tais genes foram descobertos em Drosophila, milho, Escherichia coli, levedura e outros organismos. Supõe-se que os genes mutadores alteram as propriedades da DNA polimerase, cuja influência leva à mutação em massa.

A mutagênese espontânea é influenciada pelo estado fisiológico e bioquímico da célula. Assim, foi demonstrado que no processo de envelhecimento, a frequência de mutações aumenta significativamente. Entre as possíveis causas de mutação espontânea está o acúmulo no genótipo de mutações que bloqueiam a biossíntese de certas substâncias, pelo que haverá um acúmulo excessivo de precursores dessas substâncias que podem ter propriedades mutagênicas. Um certo papel na mutação espontânea de uma pessoa pode ser desempenhado pela radiação natural, devido à qual pode ser atribuída de 1/4 a 1/10 das mutações espontâneas em humanos.

Com base no estudo de mutações espontâneas dentro de populações de uma espécie e ao comparar populações de diferentes espécies, N. I. Vavilov formulou lei da série homóloga variabilidade hereditária: “Espécies e gêneros geneticamente próximos são caracterizados por séries semelhantes de variabilidade hereditária com tal regularidade que, conhecendo o número de formas dentro de uma espécie, pode-se prever o encontro de formas paralelas em outras espécies e gêneros.” Quanto mais próximos geneticamente os gêneros estiverem localizados no sistema geral, mais completa será a similaridade de variabilidade em suas séries. O principal na lei das séries homólogas foi uma nova abordagem para entender os princípios das mutações na natureza. Descobriu-se que a variabilidade hereditária é um fenômeno historicamente estabelecido. As mutações são aleatórias quando tomadas individualmente. No entanto, em geral, à luz da lei das séries homólogas, tornam-se um fenômeno natural no sistema das espécies.

Mutações, indo como que por acaso em direções diferentes, quando combinadas, revelam uma lei comum.

processo de mutação induzida a ocorrência de mudanças hereditárias sob a influência de um impacto especial de fatores do ambiente externo e interno.

Mecanismos de ocorrência de mutações. Mutagênese e carcinogênese. Perigo genético de poluição ambiental por mutagênicos.

Todos os fatores de mutagênese podem ser divididos em três tipos: física, química e biológica.

Dentre fisica fatores de maior importância são as radiações ionizantes. A radiação ionizante é dividida em:

eletromagnéticos (onda), incluem raios X com comprimento de onda de 0,005 a 2 nm, raios gama e raios cósmicos;

radiação corpuscular - partículas beta (elétrons e pósitrons), prótons, nêutrons (rápidos e térmicos), partículas alfa (núcleos de átomos de hélio), etc. o que leva às suas transformações químicas.

Diferentes animais são caracterizados por diferentes sensibilidades à radiação ionizante, que varia de 700 roentgens para humanos a centenas de milhares e milhões de roentgens para bactérias e vírus. A radiação ionizante causa principalmente alterações no aparelho genético da célula. Foi demonstrado que o núcleo da célula é 100 mil vezes mais sensível à radiação do que o citoplasma. As células germinativas imaturas (espermatogônias) são muito mais sensíveis à radiação do que as maduras (espermatozóides). O DNA cromossômico é mais sensível aos efeitos da radiação. As mudanças em desenvolvimento são expressas em mutações genéticas e rearranjos de cromossomos.

Foi demonstrado que a frequência de mutações depende da dose total de radiação e é diretamente proporcional à dose de radiação.

A radiação ionizante afeta o aparelho genético não apenas diretamente, mas também indiretamente. Causam radiólise da água. Os radicais resultantes (H + , OH -) têm um efeito prejudicial.

Os fortes mutagênicos físicos incluem raios ultravioleta (comprimento de onda de até 400 nm), que não ionizam átomos, mas apenas excitam suas camadas eletrônicas. Como resultado, reações químicas se desenvolvem nas células, o que pode levar à mutação. A frequência das mutações aumenta com o aumento do comprimento de onda até 240-280 nm (corresponde ao espectro de absorção do DNA). Os raios UV causam rearranjos gênicos e cromossômicos, mas em uma quantidade muito menor do que a radiação ionizante.

Um mutagênico físico muito mais fraco é a temperatura elevada. Um aumento na temperatura em 10 aumenta a taxa de mutação em 3-5 vezes. Neste caso, as mutações genéticas ocorrem principalmente em organismos inferiores. Este fator não afeta animais de sangue quente com temperatura corporal constante e humanos.

Químico mutagênicos Existem muitas substâncias diferentes e sua lista é constantemente atualizada. Os mutagênicos químicos mais poderosos são:

alquilante compostos: sulfato de dimetilo; gás mostarda e seus derivados - etilenoimina, nitrosoalquil-nitrometil, nitrosoetilureia, etc. Às vezes, essas substâncias são supermutagênicas e cancerígenas.

O segundo grupo de mutagênicos químicos são análogos de bases nitrogenadas (5-bromouracil, 5-bromodesoxiurodina, 8-azoguanina, 2-aminopurina, cafeína, etc.).

O terceiro grupo consiste corantes de acridina (amarelo de acridina, laranja, proflavina).

O quarto grupo é vários de acordo com a estrutura da substância: ácido nitroso, hidroxilamina, vários peróxidos, uretano, formaldeído.

Mutágenos químicos podem induzir mutações genéticas e cromossômicas. Eles causam mais mutações genéticas do que a radiação ionizante e os raios UV.

Para mutagênicos biológicos incluem certos tipos de vírus. Foi demonstrado que a maioria dos vírus humanos, animais e vegetais induzem mutações em Drosophila. Supõe-se que as moléculas de vírus de DNA representam um elemento mutagênico. A capacidade dos vírus de causar mutações foi encontrada em bactérias e actinomicetos.

Aparentemente, todos os mutagênicos, tanto físicos quanto químicos, são em princípio universais; pode causar mutações em qualquer forma de vida. Para todos os mutagênicos conhecidos, não há limite inferior para sua atividade mutagênica.

As mutações causam deformidades congênitas e doenças humanas hereditárias. Portanto, a tarefa urgente é proteger as pessoas da ação de agentes mutagênicos. De grande importância a este respeito foi a proibição de testes atmosféricos de armas nucleares. É muito importante observar as medidas para proteger as pessoas da radiação na indústria nuclear, ao trabalhar com isótopos, raios-X. Os antimutagênicos podem desempenhar um certo papel - substâncias que reduzem o efeito dos mutagênicos (cisteamina, quinacrina, algumas sulfonamidas, derivados dos ácidos propiônico e gálico).

Reparação de material genético. Mutações associadas ao reparo prejudicado e seu papel na patologia humana.

Nem todo dano ao aparelho genético causado por mutagênicos é realizado na forma de mutações. Muitos deles são corrigidos com a ajuda de enzimas especiais de reparo.

Reparar representa dispositivos desenvolvidos evolutivamente que aumentam a imunidade ao ruído da informação genética e sua estabilidade em várias gerações. O mecanismo de reparo é baseado no fato de que cada molécula de DNA contém dois conjuntos completos de informações genéticas registradas em fitas polinucleotídicas complementares. Isso garante que as informações não corrompidas sejam preservadas em um encadeamento, mesmo que o outro esteja danificado, e corrigirá o defeito em um encadeamento não danificado.

Existem atualmente três mecanismos de reparação conhecidos: fotoreativação, reparo escuro, reparo pós-replicação.

Fotoreativação consiste na eliminação por luz visível de dímeros de timina, ocorrendo especialmente com frequência no DNA sob a influência dos raios UV. A substituição é realizada por uma enzima fotoreativadora especial, cujas moléculas não têm afinidade pelo DNA intacto, mas reconhecem os dímeros de timina e se ligam a eles imediatamente após sua formação. Este complexo permanece estável até ser exposto à luz visível. A luz visível ativa a molécula da enzima, separa-se do dímero de timina e simultaneamente o separa em duas timinas separadas, restaurando a estrutura original do DNA.

Reparação escura não requer luz. É capaz de reparar uma ampla variedade de danos no DNA. O reparo escuro prossegue em várias etapas com a participação de várias enzimas:

moléculas endonucleases examinar constantemente a molécula de DNA, identificando o dano, a enzima corta a fita de DNA próxima a ela;

Endo ou exonuclease faz uma segunda incisão neste fio, extirpando a área danificada;

A exonuclease expande significativamente a lacuna resultante, cortando dezenas ou centenas de nucleotídeos;

Polimerase cria uma lacuna de acordo com a ordem dos nucleotídeos na segunda fita (intacta) de DNA.

Reparos claros e escuros são observados antes que a replicação das moléculas danificadas ocorra. Se as moléculas danificadas não se replicarem, então as moléculas filhas podem sofrer reparo pós-replicativo. Seu mecanismo ainda não está claro. Supõe-se que com ele, lacunas nos defeitos de DNA podem ser construídas com fragmentos retirados de moléculas intactas.

De extrema importância são as diferenças genéticas na atividade das enzimas de reparo. Existem diferenças semelhantes em humanos. A pessoa tem uma doença conhecida xeroderma pigmentoso . A pele dessas pessoas é sensível aos raios solares e, com sua intensa exposição, fica coberta de grandes manchas pigmentadas, ulcera e pode degenerar em câncer de pele. O xeroderma pigmentosa é causado por uma mutação que interrompe o mecanismo de reparo de danos causados ​​no DNA das células da pele pelos raios UV da luz solar.

O fenômeno de reparo do DNA é difundido de bactérias para humanos e é de grande importância para a manutenção da estabilidade da informação genética transmitida de geração em geração.

Variabilidade de modificação - mudanças no fenótipo do organismo, que na maioria dos casos são de natureza adaptativa e são formadas como resultado da interação do genótipo com o ambiente. Mudanças no corpo, ou modificações, não são herdadas. Em geral, o conceito de "variabilidade de modificação" corresponde ao conceito de "variabilidade determinada", que foi introduzido por Darwin.

Classificação condicional da variabilidade de modificação

• Pela natureza das mudanças no corpo
  • Alterações morfológicas
  • Adaptações fisiológicas e bioquímicas - homeostase
• De acordo com o espectro da norma de reação
  • Estreito
  • Largo
• Por valor
  • Modificações adaptáveis
  • morfoses
  • Fenocópias
• Por duração
  • Observado apenas em indivíduos expostos a determinados fatores ambientais (termo único)
  • Observado nos descendentes desses indivíduos (modificações de longo prazo) por um certo número de gerações

O mecanismo de variabilidade de modificação

A modificação da variabilidade não é resultado de mudanças no genótipo, mas de sua resposta às condições ambientais. Ou seja, a estrutura dos genes não muda - a expressão dos genes muda.

Como resultado, sob a influência de fatores ambientais no corpo, a intensidade das reações enzimáticas muda, o que é causado por uma mudança na intensidade de sua biossíntese. Algumas enzimas, como a MAP quinase, mediam a regulação da transcrição gênica, que é dependente de fatores ambientais. Assim, os fatores ambientais são capazes de regular a atividade dos genes e sua produção de uma proteína específica, cujas funções são mais consistentes com o ambiente.

Como exemplo de modificações adaptativas, considere o mecanismo de formação do pigmento melanina. Sua produção corresponde a quatro genes que estão localizados em cromossomos diferentes. O maior número de alelos desses genes - 8 - está presente em pessoas com cor de corpo escura. Se o tegumento é intensamente afetado pelo fator ambiental, a radiação ultravioleta, quando penetra nas camadas inferiores da epiderme, as células desta última são destruídas. Há liberação de endotelina-1 e eicosanóides (produtos de degradação de ácidos graxos), o que provoca ativação e aumento da biossíntese da enzima tirosinase. A tirosinase, por sua vez, catalisa a oxidação do aminoácido tirosina. A formação adicional de melanina ocorre sem a participação da tirosinase, mas um aumento na biossíntese da tirosinase e sua ativação causa a formação de um bronzeado, correspondente a fatores ambientais.

Outro exemplo é a mudança sazonal na cor da pele dos animais (muda). O derramamento e a coloração subsequente são devidos à ação dos indicadores de temperatura na glândula pituitária, que estimula a produção do hormônio estimulante da tireoide. Isso causa um efeito na glândula tireóide, sob a ação de hormônios dos quais ocorre a muda.

taxa de reação

A taxa de reação é o espectro de expressão gênica com um genótipo inalterado, a partir do qual o nível de atividade mais apropriado do aparato genético é selecionado e forma um fenótipo específico. Por exemplo, existe um alelo do gene X a, que causa a produção de mais espigas de trigo, e um alelo do gene Y b, que produz um pequeno número de espigas de trigo. A expressão de alelos desses genes está inter-relacionada. Todo o espectro de expressão está localizado entre a expressão máxima do alelo a e a expressão máxima do alelo b, e a intensidade da expressão desses alelos depende das condições ambientais. Sob condições favoráveis ​​(com uma quantidade suficiente de umidade, nutrientes), o alelo "domina" e sob condições desfavoráveis, a manifestação do alelo b predomina.

A taxa de reação tem um limite de manifestação para cada espécie - por exemplo, o aumento da alimentação dos animais causará um aumento em sua massa, porém, estará dentro do espectro de detecção dessa característica para uma determinada espécie. A taxa de reação é geneticamente determinada e herdada. Para várias mudanças, existem diferentes facetas da manifestação da norma de reação. Por exemplo, a quantidade de produção de leite, a produtividade de cereais (alterações quantitativas) variam muito, a intensidade da cor dos animais varia ligeiramente etc. (mudanças qualitativas). De acordo com isso, a taxa de reação pode ser estreita (alterações qualitativas - a cor das pupas e adultos de algumas borboletas) e ampla (alterações quantitativas - o tamanho das folhas das plantas, o tamanho do corpo dos insetos, dependendo da No entanto, algumas mudanças quantitativas são caracterizadas por uma taxa de reação estreita (teor de gordura do leite, número de dedos em botos), e para algumas mudanças qualitativas amplas (mudanças sazonais de cor em animais de latitudes setentrionais). a taxa de reação e a intensidade da expressão gênica baseada nela predeterminam a dissimilaridade de unidades intraespecíficas.

Características da variabilidade de modificação

• turnover - as mudanças desaparecem quando as condições ambientais específicas que levaram à modificação aparecem desaparecem;
• Personagem de grupo;
• Mudanças no fenótipo não são herdadas - a norma da reação do genótipo é herdada;
• Regularidade estatística das séries de variação;
• As modificações diferenciam o fenótipo sem alterar o genótipo.

Análise e padrões de variabilidade de modificação

As exibições da manifestação da variabilidade de modificação são classificadas - uma série de variação - uma série de variabilidade de modificação da propriedade de um organismo, consistindo em propriedades individuais interconectadas do fenótipo do organismo, organizadas em ordem crescente ou decrescente da expressão quantitativa da propriedade (tamanho da folha , alterações na intensidade da cor da pelagem, etc.). Um único indicador da proporção de dois fatores em uma série de variação (por exemplo, o comprimento do pêlo e a intensidade de sua pigmentação) é chamado de variante. Por exemplo, o cultivo de trigo em um campo pode variar muito no número de espigas e espigas devido a diferentes parâmetros do solo. Comparando o número de espiguetas em uma espigueta e o número de espigas, você pode obter as seguintes séries de variação:

Curva de variação

Uma representação gráfica da manifestação da variabilidade de modificação - uma curva de variação - reflete tanto a faixa de variação de potência quanto a frequência de ocorrência de variantes individuais.

Após traçar a curva, verifica-se que as mais comuns são as variantes médias da manifestação da propriedade (lei de Quetelet). A razão para isso é o efeito de fatores ambientais no curso da ontogenia. Alguns fatores suprimem a expressão gênica, enquanto outros a aumentam. Quase sempre, esses fatores, atuando igualmente na ontogenia, neutralizam-se mutuamente, ou seja, manifestações extremas do traço são minimizadas em termos de frequência de ocorrência. Esta é a razão da maior ocorrência de indivíduos com manifestação média do traço. Por exemplo, a altura média de um homem - 175 cm - é mais comum.

Ao construir uma curva de variação, pode-se calcular o valor do desvio padrão e, com base nisso, construir um gráfico do desvio padrão da mediana - a manifestação do traço que ocorre com mais frequência.

Gráfico do desvio padrão, construído com base na curva de variação "variabilidade de modificação do trigo"

Variabilidade das formas de modificação

Fenocópias

Fenocópias - alterações no fenótipo sob a influência de fatores ambientais adversos, semelhantes a mutações. O genótipo não muda. Suas causas são teratógenos - determinados agentes físicos, químicos (drogas, etc.) e biológicos (vírus) com a ocorrência de anomalias morfológicas e malformações. As fenocópias são muitas vezes semelhantes às doenças hereditárias. Às vezes, as fenocópias se originam do desenvolvimento embrionário. Mas mais frequentemente exemplos de fenocópias são mudanças na ontogenia - o espectro de fenocópias depende do estágio de desenvolvimento do organismo.

morfoses

Morfoses são mudanças no fenótipo sob a influência de fatores ambientais extremos. Pela primeira vez, as morfoses se manifestam precisamente no fenótipo e podem levar a mutações adaptativas, que é tida pela teoria epigenética da evolução como base para o movimento da seleção natural baseada na variabilidade da modificação. As morfoses são de natureza não adaptativa e irreversíveis, ou seja, como as mutações, são lábeis. Exemplos de morfoses são cicatrizes, certas lesões, queimaduras, etc.

Variabilidade de modificação a longo prazo

A maioria das modificações não são herdadas e são apenas uma reação do genótipo às condições ambientais. É claro que a prole de um indivíduo que foi exposto a certos fatores que formaram uma taxa de reação mais ampla também pode ter as mesmas mudanças amplas, mas só aparecerá quando exposto a certos fatores, que, influenciando os genes que causam reações enzimáticas. No entanto, em alguns protozoários, bactérias e até mesmo eucariotos, existe a chamada variabilidade de modificação de longo prazo devido à hereditariedade citoplasmática. Para elucidar o mecanismo da variabilidade de modificação a longo prazo, vamos primeiro considerar a regulação do gatilho por fatores ambientais.

Regulagem do gatilho por modificações

Como exemplo de variabilidade de modificação de longo prazo, considere o operon bacteriano. Um operon é um método de organização de material genético no qual genes que codificam proteínas que trabalham em conjunto ou em sequência são combinados sob um promotor. O operon bacteriano contém, além das estruturas do gene, duas seções - um promotor e um operador. O operador está localizado entre o promotor (o local a partir do qual a transcrição começa) e os genes estruturais. Se o operador está associado a certas proteínas repressoras, então juntos eles impedem que a RNA polimerase se mova ao longo da cadeia de DNA, começa com o promotor. Se houver dois operons e se eles estiverem interconectados (o gene estrutural do primeiro operon codifica uma proteína repressora para o segundo operon e vice-versa), eles formam um sistema chamado gatilho. Quando o primeiro componente do gatilho está ativo, o outro componente é passivo. Mas, sob a influência de certos fatores ambientais, o gatilho pode mudar para o segundo operon devido à interrupção da codificação da proteína repressora para ele.

O efeito dos gatilhos de comutação pode ser observado em algumas formas de vida não celulares, como bacteriófagos, e em procariontes, como Escherichia coli. Vamos considerar os dois casos.

colibacillus - um conjunto de espécies bacterianas que interagem com certos organismos com um benefício comum (mutualismo). Eles têm uma alta atividade enzimática contra açúcares (lactose, glicose), além disso, eles não podem quebrar simultaneamente a glicose e a lactose. A regulação da capacidade de clivar a lactose é realizada pelo operon lactose, que consiste em um promotor, operador e terminador, bem como um gene que codifica uma proteína repressora para o promotor. Na ausência de lactose no ambiente, a proteína repressora se liga ao operador e a transcrição é interrompida. Se a lactose entrar em uma célula bacteriana, ela se combina com a proteína repressora, altera sua conformação e dissocia a proteína repressora do operador.

Bacteriófagos são vírus que infectam bactérias. Quando uma bactéria entra em uma célula, sob condições ambientais adversas, os bacteriófagos permanecem inativos, penetrando no material genético e sendo transmitidos às células filhas durante a separação binária da célula mãe. Quando as condições favoráveis ​​aparecem na célula bacteriana, o gatilho muda para o bacteriófago como resultado da ingestão de indutores de nutrientes, e os bacteriófagos se multiplicam e saem da bactéria.

Esse fenômeno é frequentemente observado em vírus e procariontes, mas quase nunca ocorre em organismos multicelulares.

Herança citoplasmática

A hereditariedade citoplasmática é a hereditariedade, que consiste na entrada no citoplasma de uma substância indutora que desencadeia a expressão gênica (ativa o operon) ou na autorreprodução de partes do citoplasma.

Por exemplo, quando uma bactéria brota, é herdado um bacteriófago, que está localizado no citoplasma e desempenha o papel de um plasmídeo. Sob condições favoráveis, a replicação do DNA já está ocorrendo e o aparato genético da célula é substituído pelo aparato genético do vírus. Um exemplo semelhante de variabilidade em Escherichia coli é o trabalho do operon lactose de E. coli - na ausência de glicose e na presença de lactose, essas bactérias produzem uma enzima para quebrar a lactose devido à troca do operon lactose. Essa troca de operon pode ser herdada durante a brotação, passando lactose para a bactéria filha durante sua formação, e a bactéria filha também produz uma enzima (lactase) para quebrar a lactose mesmo na ausência desse dissacarídeo no ambiente.

Também a herança citoplasmática associada à variabilidade de modificação a longo prazo encontrada em representantes eucarióticos, como o besouro da batata do Colorado e as vespas Habrobracon. Sob a ação de indicadores térmicos intensos nas pupas do besouro da batata do Colorado, a cor dos besouros mudou. Sob a condição obrigatória de que o besouro fêmea também experimentou os efeitos de indicadores térmicos intensos, nos descendentes de tais besouros a presente manifestação do traço persistiu por várias gerações, e então a norma anterior do traço retornou. Essa variabilidade de modificação contínua também é um exemplo de herança citoplasmática. A razão para a herança é a autorreprodução das partes do citoplasma que sofreram alterações. Vamos considerar o mecanismo de autorreprodução como a causa da hereditariedade citoplasmática em detalhes. No citoplasma, organelas que possuem seu próprio DNA e RNA e outros plasmógenos podem se autorreproduzir. processamento e tradução. Assim, é assegurada a continuidade da autorreprodução dessas organelas. Plasmogenes também são capazes de auto-reprodução. Se, sob a influência do ambiente, o plasmogênio sofreu alterações que determinaram a atividade desse gene, por exemplo, durante a dissociação de uma proteína repressora ou associações que codificam uma proteína, ele começa a produzir uma proteína que forma uma determinada característica . Como os plasmógenos podem ser transportados através da membrana dos óvulos femininos e, portanto, herdados, seu estado específico também é herdado. Ao mesmo tempo, as modificações que o gene causou ao ativar sua própria expressão também são preservadas. Se o fator que causou a ativação da expressão gênica e a biossíntese de proteínas por ele for preservado durante a ontogênese para a prole do indivíduo, então a característica será transmitida para a próxima prole. Assim, uma modificação a longo prazo persiste enquanto houver um fator que cause essa modificação. Com o desaparecimento do fator, a modificação desaparece lentamente ao longo de várias gerações. É aqui que as modificações de longo prazo diferem das modificações regulares.

Variabilidade de modificação e teorias da evolução

Seleção natural e sua influência na variabilidade de modificação

A seleção natural é a sobrevivência dos indivíduos mais aptos e o aparecimento da prole com mudanças bem-sucedidas fixas. Quatro tipos de seleção natural:

Seleção estabilizadora. Essa forma de seleção leva a: a) a neutralização das mutações por seleção, neutraliza sua ação oposta, b) a melhoria do genótipo e o processo de desenvolvimento individual com um fenótipo constante, ec) a formação de uma reserva de mutações. Como resultado dessa seleção, os organismos com uma taxa média de reação dominam sob baixas condições de existência.

seleção de condução. Esta forma de seleção leva a: a) a revelação de reservas de mobilização, consistindo em mutações neutralizadas, b) a seleção de mutações neutralizadas e seus compostos, ec) a formação de um novo fenótipo e genótipo. Como resultado dessa seleção, os organismos com uma nova taxa média de reação dominam, o que está mais de acordo com as mudanças nas condições ambientais em que vivem.

Seleção disruptiva. Essa forma de seleção realiza os mesmos processos da seleção de motivos, mas não visa a formação de uma nova taxa média de reação, mas a sobrevivência de organismos com taxas extremas de reação.

seleção sexual. Essa forma de seleção resulta em facilitar o encontro entre os sexos, limitando a participação na reprodução das espécies de indivíduos com características sexuais menos desenvolvidas.

Em geral, a maioria dos cientistas considera o substrato da seleção natural, juntamente com outros fatores constantes (deriva genética, luta pela existência), variabilidade hereditária. Essas visões foram realizadas no darwinismo conservador e no neodarwinismo (a teoria sintética da evolução). Recentemente, no entanto, alguns cientistas começaram a aderir a uma visão diferente, segundo a qual o substrato antes da seleção natural é a morfose - um tipo separado de variabilidade de modificação. Essa visão evoluiu para a teoria epigenética da evolução.

Darwinismo e Neodarwinismo

Do ponto de vista do darwinismo, um dos principais fatores da seleção natural, que determina a aptidão dos organismos, é a variabilidade hereditária. Isso leva ao domínio de indivíduos com mutações bem-sucedidas, como consequência disso - à seleção natural e, se as mudanças forem fortemente pronunciadas, à especiação. A variabilidade da modificação depende do genótipo. A teoria sintética da evolução, criada no século 20, adere à mesma visão em relação à variabilidade da modificação. M. Vorontsov. Como pode ser visto no texto acima, essas duas teorias consideram o genótipo a base da seleção natural, que muda sob a influência de mutações, que são uma das formas de variabilidade hereditária. Mudanças no genótipo causam uma mudança na norma da reação, pois é o genótipo que a determina. A velocidade da reação determina a mudança no fenótipo e, assim, as mutações se manifestam no fenótipo, o que leva à sua maior conformidade com as condições ambientais se as mutações forem convenientes. As etapas da seleção natural de acordo com o darwinismo e o neodarwinismo consistem nas seguintes etapas:

1) Primeiro, um indivíduo aparece com novas propriedades (que se devem a mutações);

2) Então ela é capaz ou não pode deixar descendentes;

3) Se um indivíduo deixa descendentes, as mudanças em seu genótipo são fixadas em gerações e isso, finalmente, leva à seleção natural.

Teoria epigenética da evolução

A teoria epigenética da evolução considera o fenótipo como um substrato da seleção natural, e a seleção não apenas fixa mudanças benéficas, mas também participa de sua criação. A principal influência na hereditariedade não é o genoma, mas o sistema epigenético - um conjunto de fatores que atuam na ontogenia. Com a morfose, que é um dos tipos de variabilidade de modificação, uma trajetória de desenvolvimento estável (credo) é formada no indivíduo - um sistema epigenético que se adapta à morfose. Este sistema de desenvolvimento baseia-se na assimilação genética dos organismos, que consiste na modificação de uma determinada mutação - uma cópia do gene de modificação, devido a uma mudança epigenética na estrutura da cromatina. Isso significa que uma mudança na atividade do gene pode ser o resultado tanto de mutações quanto de fatores ambientais. Aqueles. a partir de uma certa modificação sob a intensa influência do ambiente, são selecionadas mutações que adaptam o corpo a novas mudanças, assim se forma um novo genótipo, que forma um novo fenótipo. A seleção natural, segundo et, consiste nas seguintes etapas:

1) Fatores ambientais extremos levam à morfose;

2) a morfose leva à desestabilização da ontogenia;

3) A desestabilização da ontogenia leva ao aparecimento de um fenótipo anormal, mais consistente com a morfose;

4) Com uma correspondência bem-sucedida do novo fenótipo, as modificações são copiadas, o que leva à estabilização - uma nova norma de reação é formada;

Características comparativas da variabilidade hereditária e não hereditária

Variabilidade de modificação na vida humana

O homem, em geral, há muito utiliza o conhecimento da variabilidade da modificação, por exemplo, na economia. Conhecendo certas características individuais de cada planta (por exemplo, a necessidade de luz, água, condições de temperatura), é possível planejar o nível máximo de uso (dentro da norma de reação) desta planta - para alcançar a maior frutificação. Portanto, as pessoas colocam diferentes tipos de plantas para sua formação em diferentes condições - em diferentes estações, etc. A situação é semelhante com os animais - o conhecimento da necessidade, por exemplo, das vacas provoca aumento da produção de leite e, consequentemente, aumento da produção de leite.

Como a assimetria funcional dos hemisférios cerebrais se forma com o alcance de certa idade, e em pessoas analfabetas e sem instrução é menor, pode-se supor que a assimetria seja consequência da variabilidade da modificação. Portanto, nas fases de treinamento, é muito aconselhável identificar as habilidades da criança para realizar mais plenamente seu fenótipo.

Exemplos de variabilidade de modificação

• Em insetos e animais
• Um aumento nos glóbulos vermelhos ao escalar montanhas em animais (homeostase)
  • Aumento da pigmentação da pele com exposição intensa à radiação ultravioleta
  • O desenvolvimento do aparelho motor como resultado do treinamento
  • Cicatrizes (morfose)
  • Mudança na coloração de besouros da batata do Colorado com exposição prolongada a altas ou baixas temperaturas em suas pupas
  • Alterando a cor da pele em alguns animais com mudanças nas condições climáticas
  • A capacidade das borboletas do gênero Vanessa (Vanessa) de mudar de cor com as mudanças de temperatura
• Em plantas
  • A estrutura diferente das folhas subaquáticas e emersas em plantas de ranúnculo de água
  • Desenvolvimento de formas subdimensionadas a partir de sementes de plantas de várzea cultivadas nas montanhas

• Em bactérias
  • trabalho dos genes do operon lactose de Escherichia coli