Закон Харди-Вайнберга. Принципы

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 05.11.2024

Закон Харди-Вайнберга. Принципы

Как показано в примере с геном цитокинового рецептора CCR5, мы можем использовать выборку из популяции лиц с известными генотипами для оценки частот аллелей, просто подсчитав аллели у лиц с каждым генотипом. Верно ли обратное? Можем ли мы вычислить соотношение в популяции лиц с различными генотипами, если известны частоты аллелей?

Получить частоты генотипов из частот аллелей не такая простая задача, поскольку мы действительно не знаем заранее, как распределены аллели среди гомозигот и гетерозигот. Тем не менее, если популяция соответствует определенным предположениям, существует простое математическое соотношение, известное как закон Харди-Вайнберга, позволяющее вычислить частоты генотипа из частот аллелей.

Этот закон, краеугольный камень популяционной генетики, назван в честь Джеффри Харди, английского математика, и Вильгельма Вайнберга, немецкого врача, независимо сформулировавших его в 1908 году.

Закон Харди-Вайнберга

Закон Харди-Вайнберга базируется на следующих предположениях.
• Популяция достаточно большая и браки случайные относительно локуса, о котором идет речь.
• Частоты аллелей остаются неизменными, поскольку:
- нет ощутимой частоты мутаций;
- индивидуумы с любым генотипом одинаково способны к бракам и передаче генов, т.е. нет отбора против конкретного генотипа;
- нет значимой иммиграции из популяции с сильно отличающейся частотой аллеля.

Закон Харди-Вайнберга имеет два важных компонента. Во-первых — то, что при определенных идеальных условиях (см. блок) существует простое соотношение между частотами аллелей и частотой генотипа в популяции.

Если р — частота аллеля «A», a q — частота аллеля «а» в пуле генов, и аллели объединяются в генотипы произвольно, т.е. скрещивание генотипов в этом локусе в популяции полностью случайное, то вероятность, что два аллеля дадут генотип АА, равна р 2 ; генотип аа — q 2 ; и генотип Аа — 2pq (коэффициент 2 указывает, что один аллель мог быть унаследован от матери, а другой — от отца, или наоборот).

Закон Харди-Вайнберга утверждает, zmo zacmoma трех генотипов АА, Аа и аа определяется биномом (p+q) 2 = p 2 +2pq + q 2 .

Второй компонент закона Харди-Вайнберга — если частоты аллеля не изменяются из поколения в поколение, относительная пропорция генотипов также не изменяется; т.е. популяционная zacmoma генотипа из поколения в поколение остается стабильной, равновесной, если неизменными остаются гастоты аллелей р и q.

Точнее говоря, когда есть случайное скрещивание в равновесной популяции и генотипы АА, Аа и аа присутствуют в пропорциях p 2 :2pq:q 2 , то частоты генотипов в следующем поколении остаются в тех же относительных пропорциях, p 2 :2pq:q 2 .

Важно иметь в виду, что равновесие Харди-Вайнберга не определяет какие-либо конкретные величины р и q; независимо от того, какие частоты аллелей имеются в популяции, частоты генотипа составляют p 2 :2pq:q 2 , и эти относительные частоты генотипа остаются постоянными из поколения в поколение до тех пор, пока остаются постоянными частоты аллелей и выполнены другие условия.

Прилагая формулу Харди-Вайнберга к данному ранее примеру с геном CCR5 с относительными частотами двух аллелей в пуле генов 0,906 (для нормального аллеля CCRS) и 0,094 (для ACCR5), можно рассчитать, что относительные пропорции трех комбинаций аллелей (генотипов) будут равны — p2=0,906х0,906=0,821 (для двух аллелей CCR5 из пула), q 2 =0,094х0,094=0,009 (для двух аллелей ACCRS) и 2pq=(0,906хО,094)+(0,094хО,906)=0,170 (для одного аллеля CCR5 и второго ACCR5).

Если вычисленные в соответствии с законом Харди-Вайнберга частоты генотипов применить к популяции из 788 человек, расчетные количества людей с тремя разными генотипами (647:134:7) совпадут с фактически наблюдаемыми числами. Так же как предсказания закона Харди-Вайнберга выполняются в популяции, мы должны ожидать, что эти частоты генотипов (0,821:0,170:0,009) останутся постоянными в следующем поколении в этой популяции.

Как мы видели, распределение генотипов в популяциях по закону Харди-Вайнберга — просто биномиальное распределение (p+q)n, где символы р и q представляют частоты двух альтернативных аллелей в локусе (причем p+q=l), а n=2, представляя пару аллелей в любом аутосомном или Х-сцепленном локусе у женщин. (Поскольку мужчины имеют только одну Х-хромосому, частоты Х-сцепленных генов у мужчин будут рассчитаны позже).

Если локус имеет три аллеля с частотами р, qnr, распределение генотипов будет определяться формулой (p+q+r) 2 . В общем случае частоты генотипов для любого известного количества аллелей, если обозначить их p1, р2. рn, могут быть вычислены на основе формулы (р1 + р2 +. рn) 2 .

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Закон Харди-Вайнберга

В основе популяционной генетики, изучающей генотипы живых организмов без использования скрещиваний, лежит закон Харди-Вайнберга. Его сформулировали независимо друг от друга двое ученых в 1908 г. Данный закон, который также называют равновесием и уравнением, соблюдается только при определенных идеальных условиях.

Уравнение Харди-Вайнберга представляет собой математическую модель, объясняющую, каким образом в генофонде популяции сохраняется генетическое равновесие.

Формулировка закона Харди-Вайнберга

Частота генотипов по определенному гену в популяции остается постоянной в ряду поколений и соответствует уравнению p 2 + 2pq + q 2 = 1, где

p 2 — частота как доля от единицы гомозигот по одному аллелю (например, доминантному – AA ),
q 2 — частота гомозигот по другому аллелю ( aa ),
2pq — частота гетерозигот ( Aa ),
p — частота в популяции первого аллеля ( A ),
q — частота второго аллеля ( a ).

При этом p + q = 1 , или A + a = 1 .

Также из законов математики следует

(p + q) 2 = p 2 + 2pq + q 2

Формула квадрата двучлена используется для одного исследуемого гена, имеющего всего два аллеля.

Может встречаться формулировка не по отношению к генотипам, а по отношению к аллелям: частоты доминантного и рецессивного аллелей в популяции будут оставаться постоянными в ряду поколений при соблюдении ряда условий. То есть значений p и q не будут изменяться из поколения в поколение.

Таким образом, закон Харди-Вайнберга позволяет рассчитать частоты аллелей и генотипов в популяции, что является важной ее характеристикой, так как именно популяция рассматривается как единица эволюции.

Условия соблюдения закона Харди-Вайнберга

Закон Харди-Вайнберга в полной мере соблюдается при выполнении следующих условий:

Популяция должна иметь большой размер.
Особи не должны выбирать брачного партнера в зависимости от генотипа по исследуемому гену.
Миграции особей из популяции и в нее должны отсутствовать.
В отношении изучаемого гена (его аллелей) не должен действовать естественный отбор. Другими словами, все генотипы по исследуемому гену должны быть одинаково плодовитыми.
Не должно возникать новых мутаций исследуемого гена.

Так, если в популяции гомозиготы по рецессивному аллелю имеют пониженную жизнеспособность или не выбираются брачными партнерами, то в отношении такого гена закон Харди-Вайнберга не выполняется.

Таким образом, частота аллелей в популяции остается постоянной, если скрещивание особей случайно, и на популяцию не действуют каких-либо внешние факторы.

Отклонение от закона Харди-Вайнберга (это значит, что в популяции частота аллелей гена меняется) говорит о том, что на популяцию действует какой-либо фактор эволюции. Однако в больших популяциях отклонения бывают незначительными, если рассматривать краткосрочный период времени. Данный факт позволяет использовать закон для проведения расчетов. С другой стороны, в эволюционном масштабе динамика генофонда популяции отражает то, как эволюция протекает на генетическом уровне.

Применение уравнения Харди-Вайнберга

В большинстве случаев частоту аллелей и генотипов вычисляют, взяв за основу частоту гомозиготных особей по рецессивному аллелю. Это единственный генотип, который однозначно распознается по фенотипическому проявлению. Тогда как отличить доминантные гомозиготы от гетерозигот часто не представляется возможным, поэтому их долю вычисляют, пользуясь уравнением Харди-Вайнберга.

Допустим, в гипотетической популяции людей присутствуют только два аллеля цвета глаз — карий и голубой. Карий цвет определяется доминантным A аллелем гена, голубой — рецессивным a . Пусть кареглазых людей будет 75% (или в долях 0,75), а голубоглазых 25% (0,25). Требуется определить в популяции

долю гетерозигот Aa и доминантных гомозигот AA ,
частоту аллелей A и a .

Если доля рецессивных гомозигот составляет 0,25, то доля рецессивного аллеля находится как квадратный корень из этого числа (исходя из формулы p 2 + 2pq + q 2 = 1, где q 2 — частота рецессивных гомозигот, а q — частота рецессивного аллеля), то есть будет 0,5 (или 50%). Поскольку в гипотетической популяции только два аллеля, сумма их долей составит единицу: p + q = 1. Отсюда находим долю доминантного аллеля: p = 1 - 0,5 = 0,5. Таким образом, частота обоих аллелей составляет по 50%. Мы ответили на второй вопрос.

Частота гетерозигот составляет 2pq . В данном случае 2 * 0,5 * 0,5 = 0,5. Отсюда следует, что из 75% кареглазых людей 50% являются гетерозиготами. Тогда на долю доминантных гомозигот остается 25%. Мы ответили на первый вопрос задачи.

Рассмотрим другой пример использования уравнения Харди-Вайнберга. Такое заболевание человека как муковисцидоз встречается только у рецессивных гомозигот. Частота заболевания составляет примерно 1 больной на 2500 человек. Это значит, что 4 человека из 10000 являются гомозиготами, что составляет в долях единицы 0,0004. Таким образом, q 2 = 0,0004. Извлекая квадратный корень, находим частоту рецессивного аллеля: q = 0,02 (или 2 %). Частота доминантного аллеля будет равна p = 1 - 0,02 = 0,98. Частота гетерозигот: 2pq = 2 · 0,98 · 0,02 = 0,039 (или 3,9 %). Значение частоты гетерозигот позволяет оценить количество патогенных генов, находящихся в скрытом состоянии.

Такие вычисления показывают, что, несмотря на малое число особей с гомозиготным рецессивным генотипом, частота рецессивного аллеля в популяциях достаточно велика за счет его нахождения в генотипах гетерозигот (носителей).

Закон Харди-Вайнберга в случае множественного аллелизма

Уравнение Харди-Вайнберга применяется и для случаев множественного аллелизма. При этом для определения частот генотипов в квадрат возводится многочлен из частот аллелей.

Если существует три аллеля гена (a1, a2, a3), то их частоты (p, q, r) в сумме будут давать единицу: p + q + r = 1. Если возвести уравнение в квадрат, то получим следующее распределение частот генотипов:

(p + q + r) 2 = p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1

Здесь p 2 , q 2 , r 2 — это частоты гомозигот: соответственно a₁a₁, a₂a₂, a₃a₃. Произведения 2pq, 2pr, 2qr — частоты гетерозиготных генотипов: a₁a₂, a₁a₃, a₂a₃.

Генетика популяций. Закон Харди-Вайнберга. Дрейф генов.

Популяция является формой существования любого вида. Популяция - это совокупность особей одного вида, достаточно длительное время существующая на одной территории, внутри которой осуществляется панмиксия и которая отделена от других таких же совокупностей той или иной степенью изоляции.

Совокупность генотипов всех особей, составляющих данную популяцию, носит название генофонд.

Существует ли закономерность в распределении генов и генотипов внутри генофонда? Да. Она была сформулирована в 1908 году одновременно двумя учеными: английским математиком Харди и немецким врачом Вайнбергом и получила название закона Харди-Вайнберга. Этот закон полностью справедлив только для идеальных популяций, т.е. популяций, отвечающих следующим требованиям:

1) бесконечно большая численность;

2) внутри популяции осуществляется панмиксия (свободное скрещивание);

3) отсутствуют мутации по данному гену;

4) отсутствует приток и отток генов;

5) отсутствует отбор по анализируемому признаку (признак нейтральный!).

Природные популяции в большинстве своем приближаются к идеальным, поэтому данный закон находит применение.

Закон Харди-Вайнберга имеет математическое и словесное выражения, причем в двух формулировках:

Частоты встречаемости генов одной аллельной пары в популяции остаются постоянными из поколения в поколение.

p + q = 1,где p – частота встречаемости доминантного аллеля (А), q – частота встречаемости рецессивного аллеля (a).

Частоты встречаемости генотипов в одной аллельной паре в популяции остаются постоянными из поколения в поколение, а их распределение соответствует коэффициентам разложения бинома Ньютона 2-й степени.

p 2 + 2pq +q 2 = 1

Эту формулу следует выводить с помощью генетических рассуждений.

Допустим, что в генофонде популяции доминантный аллель А встречается с частотой р, а рецессивный аллель а с частотой q. Тогда в этой же популяции женские и мужские гаметы будут нести аллель А с частотой р, а аллель а с частотой q. При свободном скрещивании (панмиксии) происходит случайное слияние гамет и образуются самые разные их сочетания:

pА	qa
pA	р 2 AA	pqAa
qa	pqAa	q 2 aa

Запишем полученные генотипы в одну строку:

p 2 AA + 2pqAa + q 2 aa = 1.

Теперь докажем на конкретном примере, что частоты встречаемости генов одной аллельной пары из поколения в поколение не меняются. Допустим, что в некой популяции в данном поколении pA = 0,8, qa = 0,2. Тогда в следующем поколениибудет:

0,8А	0,2a
0,8A	0,64AA	0,16Aa
0,2a	0,16Aa	0,04aa

0,64 АА + 0,32 Аа + 0,04 аа = 1.

При этом частота встречаемости аллельных геновв гаметах остается без изменений:

А = 0,64+0,16 = 0,8; а = 0,04+0,16 = 0,2.

Закон Харди-Вайнберга применим и для множественных аллелей.

Так, для трех аллельных генов формулы будут следующие:

(I) p + q + r = 1,

(II) p 2 + 2pq + 2pr + 2 qr + q 2 + r 2 = 1.

Практическое значение закона Харди-Вайнберга состоит в том, что он позволяет рассчитать генетический состав популяции в данный момент и выявить тенденцию его изменения в будущем.

Применение этого закона на практике показало, что популяции отличаются друг от друга по частоте встречаемости генов. Так, по генам группы крови в системе АВ0 различия между русскими и англичанами были следующие:

I A	I B	I 0
Русские	0,25	0,19	0,56
Англичане	0,25	0,05	0,70

Дрейф генов

В малочисленных популяциях закон Харди-Вайнберга не действует. Там имеет место явление дрейфа генов. Под дрейфом генов понимают случайное изменение частоты встречаемости генов одной аллельной пары в популяции. Ввели данный термин зарубежные ученые. Российские ученые это явление назвали генетико-автоматическими процессами.

Дрейф генов может привести популяцию в гомозиготное состояние. Он играет очень важную роль в формировании генофонда малочисленных популяций. Именно дрейфом генов ученые объясняют отсутствие у североамериканских индейцев (коренных жителей) гена группы крови I B , и соответственно у них имеется только две группы крови (0 и А).

Доказательство дрейфа генов было получено в эксперименте на мухах-дрозофилах. Мух анализировали по одному признаку – строению щетинки

(адаптивного значения не имеет):

А – ген, определяющий нормальное строение щетинки;

а – ген, определяющий раздвоенность щетинки.

Взяли 96 ящиков, в каждый из них поместили по 4 самца и 4 самки. Из полученного потомства в каждом поколении методом случайной выборки оставляли в каждом ящике 4 самца и 4 самки. И так проделывали на протяжении 16 поколений. На 16-м поколении получили следующий результат: в 41 ящике все мухи имели генотип АА, в29 ящиках – генотип аа, в 26 – генотип Аа.

Методы изучения наследственности человека: генеалогический, близнецовый, биохимический, цитогенетический, генетики соматических клеток, популяционно-статистический, моделирования, методы изучения ДНК. Их сущность и возможности.

К методам, используемым в генетике человека, относятся следующие:

· генеалогический,

· близнецовый,

· цитогенетический,

· биохимический,

· генетики соматических клеток,

· популяционно-статистический,

· методы моделирования,

· молекулярно-генетические методы,

· дерматоглифики и пальмоскопии.

Для каждого метода необходимо знать его сущность (как проводится) и возможности.

Закон Харди-Вайнберга — это закон популяционной генетики — в популяции бесконечно большого размера, в которой не действует отбор, не идет мутационный процесс, отсутствует обмен особями с другими популяциями, не происходит дрейф генов, все скрещивания случайны — частоты генотипов по какому-либо гену (в случае если в популяции есть два аллеля этого гена) будут поддерживаться постоянными из поколения в поколение и соответствовать уравнению: p² + 2pq + q² = 1 Где p² — доля гомозигот по одному из аллелей; p — частота этого аллеля; q² — доля гомозигот по альтернативному аллелю; q — частота соответствующего аллеля; 2pq — доля гетерозигот. Уравнение Харди—Вайнберга в том виде, в котором оно рассмотрено выше, справедливо для аутосомных генов. Для генов, сцепленных с полом, равновесные частоты генотипов A_lA₁, A₁A₂ и А₂А₂ совпадают с таковыми для аутосомных генов: р 2 + 2pq + q 2 . Для самцов (в случае гетерогаметного пола) в силу их гемизиготности возможны лишь два генотипа A1— или А2 —, которые воспроизводятся с частотой, равной частоте соответствующих аллелей у самок в предшествующем поколении: р и q. Из этого следует, что фенотипы, определяемые рецессивными аллелями сцепленных с хромосомой Х генов, у самцов встречаются чаще, чем у самок. Так, при частоте аллеля гемофилии, равной 0,0001, это заболевание у мужчин данной популяции наблюдается в 10 000 раз чаще, чем у женщин (1 на 10 тыс. у первых и 1 на 100 млн. у вторых). Еще одно следствие общего порядка заключается в том, что в случае неравенства частоты аллеля у самцов и самок разность между частотами в следующем поколении уменьшается вдвое, причем меняется знак этой разницы. Обычно требуется несколько поколений для того, чтобы возникло равновесное состояние частот у обоих полов. Указанное состояние для аутосомных генов достигается за одно поколение.Закон Харди — Вайнберга описывает условия генетической стабильности популяции. Популяцию, генофонд которой не изменяется в ряду поколений, называют менделевской. Генетическая стабильность менделевских популяций ставит их вне процесса эволюции, так как в таких условиях приостанавливается действие естественного отбора. Выделение менделевских популяций имеет чисто теоретическое значение. В природе эти популяции не встречаются. В законе Харди — Вайнберга перечислены условия, закономерно изменяющие генофонды популяций. К указанному результату приводят, например, факторы, ограничивающие свободное скрещивание (панмиксию), такие, как конечная численность организмов в популяции, изоляционные барьеры, препятствующие случайному подбору брачных пар. Генетическая инертность преодолевается также благодаря мутациям, притоку в популяцию или оттоку из нее особей с определенными генотипами, отбору.Практическое значение закона Харди-Вайнберга

В медицинской генетике закон Харди-Вайнберга позволяет оценить популяционный риск генетически обусловленных заболеваний, поскольку каждая популяция обладает собственным аллелофондом и, соответственно, разными частотами неблагоприятных аллелей. Зная частоты рождения детей с наследственными заболеваниями, можно рассчитать структуру аллелофонда. В то же время, зная частоты неблагоприятных аллелей, можно предсказать риск рождения больного ребёнка.

Экологические факторыВ экологии под окружающей средой понимают совокупность всех условий, в которых существуют организмы. Экологические факторы, действующие в окружающей среде можно разделить на три типа:1) Факторы неживой природы (абиотические) - химические (газовый состав воздуха, солевой состав воды, кислотность и состав почвенных растворов); физические, или климатические (солнечная энергия, температура, влажность, освещенность, атмосферное давление, аэрация, физические поля, радиационный режим ; топографические (характер рельефа, высота над уровнем моря, экспозиция склона) и едафични (механический состав почвы, влагоемкость, мплотность альбедо) факторы влияния внешней неорганической среды на живые организмы.2) Факторы живой природы (биотические) - совокупность живых организмов, которые своей жизнедеятельностью влияют на другие организмы.3) Антропогенные (антропични) факторы - внесены в природу человеческой деятельностью изменения, влияющие на органический мир.Действие экологических факторов на живые организмы изучает факториальная экология.Важным классификационным показателем является временная динамика экологических факторов, особенно наличие или отсутствие ее периодичности (суточной, сезонной, многолетней и др.). Факторы, изменения которых во времени повторяются регулярно, называют периодическими (например, климатические, приливы и отливы, океанские течения и др.), а факторы, возникающие спорадически и действуют катастрофически - непериодическими (извержение вулкана, нападение хищника, заражение патогенными микроорганизмами и др. .) Для нормального существования организмов в среде должны действовать только периодические факторы. Каждый экологический фактор может действовать на организм с разной интенсивностью.Нормальная жизнедеятельность популяции возможна только зa условия жизненного оптимума экологического фактора для конкретного вида, т.е. благоприятного влияния фактора, который обеспечивает наилучшие (оптимальные) условия для жизнедеятельности особей данного вида. Чем больше отклонение экологического фактора от зоны оптимума (фактор действует в зоне пессимума), тем сильнее подавляется их жизнедеятельность. Минимальные и максимальные значения экологического фактора являются критическими - за их пределами жизни уже невозможно. Чем больше отклоняется интенсивность воздействия того или иного экологического фактора от оптимального, тем более подавляется деятельность некоторых организмов. Границы, за которыми существование организмов становится невозможным, называются пределами выносливости. Факторы, которые выходят за пределы выносливости (т.е. за пределы мак Симу или минимума), называются лимитирующими или ограничивающими. Лимитирующим может быть любой экологический фактор. Так, при оптимальной влажности повышается выносливость против неблагоприятной температуры и нехватки пищи. 3 другой стороны, достаточное количество пищи увеличивает устойчивость организма к неблагоприятным климатическим условиям. Однако такая взаимная компенсация всегда ограничено, и ни один из необходимых для жизни факторов не может смениться другим. Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния на организм экологических факторов отражает закон толерантности В. Шелфорда. Толерантность - это способность организма переносить неблагоприятное влияние того или иного фактора среды. Способность организма выдерживать определенную амплитуду колебания фактора называют иногда еще экологической валентностью. Для жизни организмов большое значение имеет не только абсолютная величина фактора, но и скорость его изменения

автотрофы и гетеротрофы. По способу питания живые организмы можно разделить на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы (от греческих слов autos - сам и trophe - пища) — живые организмы, синтезирующие органические соединения из неорганических. Автотрофы составляют первый ярус в пищевой пирамиде (первые звенья пищевых цепей). Именно они являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере, обеспечивая пищей гетеротрофов. Следует отметить, что иногда резкой границы между автотрофами и гетеротрофами провести не удается. Например, одноклеточная эвглена на свету является автотрофом, а в темноте - гетеротрофом. Автотрофы делятся на фототрофов и хемотрофов. Фототрофы Организмы, для которых источником энергии служит солнечный свет, называются фототрофами. Такой тип питания называется фотосинтезом. Хемотрофы Остальные организмы в качестве внешнего источника энергии используют энергию химических связей пищи или восстановленных неорганических соединений - таких, как сероводород, метан, сера. двухвалентное железо и др. Такие организмы называются хемотрофы. Все фототрофы-эукариоты одновременно являются автотрофами. а все хемотрофы-эукариоты - гетеротрофами. Среди прокариот встречаются и другие комбинации. Так, существуют хемоавтотрофные бактерии, а некоторые фототрофные бактерии являются гетеротрофами. Гетеротрофы Гетеротрофы — организмы, некоторые не способны синтезировать органические вещества из неорганических. Для синтеза необходимых для своей жизнедеятельности органических веществ им требуются органические вещества, произведённые другими организмами. В процессе пищеварения пищеварительные ферменты расщепляют полимеры органических веществ на мономеры. В сообществах гетеротрофы — это консументы различных порядков и редуценты. Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: предъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты).Клетки прокариот, к которым относятся бактерии, в отличие от эукариот, имеют относительно простое строение. В прокариотической клетке нет организованного ядра, в ней содержится только одна хромосома, которая не отделена от остальной части клетки мембраной, а лежит непосредственно в цитоплазме. Однако в ней также записана вся наследственная информация бактериальной клетки.Цитоплазма прокариот по сравнению с цитоплазмой эука-риотических клеток значительно беднее по составу структур. Там находятся многочисленные более мелкие, чем в клетках эукариот, рибосомы. Функциональную роль митохондрий и хло-ропластов в клетках прокариот выполняют специальные, довольно просто организованные мембранные складки.Клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной, поверх которой располагается клеточная оболочка или слизистая капсула. Несмотря на относительную простоту, прокариоты являются типичными независимыми клетками. Сравнительная характеристика клеток эукариот. По строению различные эукариотические клетки сходны. Но наряду со сходством между клетками организмов различных царств живой природы имеются заметные отличия. Они касаются как структурных, так и биохимических особенностей. Для растительной клетки характерно наличие различных пластид, крупной центральной вакуоли, которая иногда отодвигает ядро к периферии, а также расположенной снаружи плазматической мембраны клеточной стенки, состоящей из целлюлозы. В клетках высших растений в клеточном центре отсутствует центриоль, встречающаяся только у водорослей. Резервным питательным углеводом в клетках растений является крахмал. В клетках представителей царства грибов клеточная стенка обычно состоит из хитина - вещества, из которого построен наружный скелет членистоногих животных. Имеется центральная вакуоль, отсутствуют пластиды. Только у некоторых грибов в клеточном центре встречается центриоль. Запасным углеводом в клетках грибов является гликоген. В клетках животных отсутствует плотная клеточная стенка, нет пластид. Нет в животной клетке и центральной вакуоли. Центриоль характерна для клеточного центра животных клеток. Резервным углеводом в клетках животных также является гликоген.

Белки

Белки – высокомолекулярные полимерные органические вещества, определяющие структуру и жизнедеятельность клетки и организма в целом. Структурной единицей, мономером их биополимерной молекулы является аминокислота. В образовании белков принимают участие 20 аминокислот. В состав молекулы каждого белка входят определенные аминокислоты в свойственном этому белку

количественном соотношении и порядке расположения в полипептидной цепи. Аминокислота имеет следующую формулу:В состав аминокислот входят: NH2 - аминокислотная группа, сдающая основными свойствами; СООН - карбоксильная группа, имеет кислотные свойства. Аминокислоты отличаются друг от друга своими радикалами – R. Аминокислоты – амфотерные соединения, соединяющиеся друг с другом в молекуле белка с помощью пептидных связей. Есть первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка Порядок, количество и качество аминокислот, входящих в состав молекулы

белка, определяют его первичную структуру (например, инсулин). Белки первичной структуры могут с помощью водородных связей соединяться в спираль и образовывать вторичную структуру (например, кератин). Полипептидные цепи, скручиваясь определенным образом в компактную структуру, образуют глобулу (шар), представляющую собой третичную структуру белка. Большинство белков имеют третичную структуру. Аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки, имеющие глобулярную структуру, объединяются вместе и формируют четвертичную структуру (например, гемоглобин). Замена одной аминокислоты приводит к изменению свойств белка. При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются. Это явление называется денатурацией. При улучшении условий денатурированный белок способен восстановить свою структуру вновь, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией Белки отличаются видовой специфичностью. Каждый вид животных имеет свои белки.В одном и том же организме каждая ткань имеет свои белки — это тканевая специфичность. Организмы характеризуются также индивидуальной специфичностью белков. Белки бывают простые и сложные. Простые состоят из аминокислот, например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др. В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения, например, жиры, углеводы, образуя липопротеиды, гликопротеиды и другие.Белки выполняют следующие функции:

• ферментативную (например, амилаза, расщепляет углеводы);

• структурную (например, входят в состав мембран клетки);

• рецепторную (например, родопсин, способствует лучшему зрению);

• транспортную (например, гемоглобин, переносит кислород или диоксид

• защитную (например, иммуноглобулины, участвуют в образовании

• двигательную (например, актин, миозин, участвуют в сокращении мышечных

• гормональную (например, инсулин, превращает глюкозу в гликоген);

• энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии).

ФЕРМЕ́НТЫ (от лат. «fermentum» — брожение, закваска), энзимы, специфические белки, увеличивающие скорость протекания химических реакций в клетках всех живых организмов. По химической природе — белки, обладающие оптимальной активностью при определенном рН, наличии необходимых коферментов и кофакторов и отсутствии ингибиторов. Ферменты называют также биокатализаторами по аналогии с катализаторами в химии. Каждый вид ферментов катализирует превращение определенных веществ (субстратов), иногда лишь единственного вещества в единственном направлении. Поэтому многочисленные биохимические реакции в клетках осуществляет огромное число различных ферментов.

Жиры

Жиры - органические соединения, которые наряду с белками и углеводами, обязательно присутствуют в клетках. Их относят к большой группе органических жироподобных соединений, классу липидов. Жиры представляют собой соединения глицерина (трехатомный спирт) и высокомолекулярных жирных кислот (насыщенных, например, стеариновой, пальмитиновой, и ненасыщенных, таких, как олеиновая, линолевая и другие). Соотношением насыщенных и ненасыщенных жирных кислот определяются физические и химические свойства жиров. Жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях, например в эфире. Функции липидов в клетке разнообразны:

• структурная (принимают участие в построении мембраны);

• энергетическая (при распаде в организме 1 г жира выделяется 9,2 ккал

энергии - в 2,5 раза больше, чем при распаде того же количества углеводов);

• защитная (от потери тепла, механических повреждений);

• жир - источник эндогенной воды (при окислении Юг жира выделяется 11 г

• регуляция обмена веществ (например, стероидные гормоны —кортикостерон и др.).

Закон-Харли—Вайнберга

Популяционная генетика занимается генетической структурой популяций. Понятие «популяция» относится к совокупности свободно скрещивающихся особей одного вида, длительно существующей на определенной территории (части ареала), и относительно обособ-

24 Глава 1. Введение в генетику человека

ленной от других совокупностей того же вида. Важнейший признак популяции — это относительно свободное скрещивание. Если возникают какие-то изоляционные барьеры, препятствующие свободному скрещиванию, то возникают новые популяции.

У человека, например, помимо территориальной изоляции, достаточно изолированные популяции могут возникать на основе социальных, этнических или религиозных барьеров. Поскольку между популяциями не происходит свободный обмен генами, то они могут существенно различаться по генетическим характеристикам. Для того чтобы описывать генетические свойства популяции, вводится понятие генофонда — совокупности генов, встречающихся в данной популяции. Помимо генофонда важна также частота встречаемости гена, или частота встречаемости аллеля.

Знание того, как реализуются законы наследования на уровне популяций, принципиально важно для понимания причин индивидуальной изменчивости. Все закономерности, выявляемые в ходе психогенетических исследований, относятся к конкретным популяциям. В других популяциях, с иным генофондом и другими частотами генов, могут получаться отличающиеся результаты.

Пусть в популяции представлены два аллеля А и а, с частотой встречаемости соответственно р и q. Тогда

Несложные подсчеты показывают, что в условиях свободного скрещивания относительные частоты генотипов АА, Аа, аа будут составлять соответственно p 2 , 2pq, q 2 . Суммарная частота, естественно,

► Закон Харди-Вайнбергагласит, что в условиях идеальной популяции частоты генов и генотипов остаются постоянными от поколения к поколению.

Условия выполнения закона Харди-Вайнберга:

♦ Случайность скрещивания в популяции. Это важное условие подразумевает одинаковую вероятность скрещивания между всеми особями, входящими в состав популяции. Нарушения этого условия у человека могут быть связаны с кровнородственными браками. В этом случае в популяции повышается количество гомозигот На этом обстоятельстве даже основан метод определения частоты кровнородственных браков в популяции, которую вычис-

Закон Харди—Вайнберга 25

ляют, определяя величину отклонения от соотношений Харди— Вайнберга.

♦ Еще одна причина нарушения закона Харди-Вайнберга — это так
называемая ассортативность браков, которая связана с неслучайностью выбора брачного партнера. Например, обнаружена определенная корреляция между супругами по коэффициенту интеллекта. Ассортативность быть может быть положительной или отрицательной и соответственно повышать изменчивость в популяции или уменьшать ее (см. главу 3). Отметим, что ассортативность влияет не на частоты аллелей, а на частоты гомо- и гетерозигот.

♦ Не должно быть мутаций.

♦ Не должно быть миграций как в популяцию, так и из нее.

♦ Не должно быть естественного отбора.

♦ Популяция должна иметь достаточно большие размеры, в противном случае даже при соблюдении остальных условий будут наблюдаться чисто случайные колебания частот генов (так называемый дрейф генов).

Эти положения, конечно, в естественных условиях в той или иной степени нарушаются. Однако в целом их влияние не так сильно выражено и в человеческих популяциях соотношения Харди-Вайнберга, как правило, выполняются.

Закон Харди-Вайнберга позволяет подсчитывать частоты аллелей в популяции. Рецессивные аллели проявляются в фенотипе, только если они оказываются в гомозиготном состоянии. Гетерозиготы фенотипически либо не отличаются от доминантных гомозигот, либо их можно идентифицировать с помощью специальных методов, подчас весьма сложных. С помощью закона Харди-Вайнберга такой подсчет гетерозигот можно легко сделать по формулам (1) и (2).

Произведем расчеты для рецессивной мутации, вызывающей заболевание фенилкетонурию. Заболевание встречается у 1 человека на 10 тыс. Таким образом, частота встречаемости гомозигот q 2 (генотип аа) равна 0,0001. Частота рецессивного аллеля q определяется путем извлечения квадратного корня (q = Частота доминантного аллеля будет равна

Отсюда легко определить частоту встречаемости гетерозигот Аа.

26 Глава 1. Введение в генетику человека

Рис. 1.10

Связь между частотами генов А и а и частотами генотипов АА, Аа, аа по формуле Хайди-Вайнберга (по Дубинину, 1970)

2pq = 2 ∙ 0,99 x 0,01 = 0,0198 ≈ 0,02, т. е. она составляет приблизительно 2%. Получается, что 1 человек из 50 является носителем гена фенилкетонурии. Эти данные показывают, какое большое число рецессивных генов остается в скрытом состоянии. На рис. 1.10 показана частота встречаемости гомозигот АА, аа и гетерозигот Аа в зависимости от частот соответствующих аллелей Аи а.

Как уже было сказано выше, на частоту появления гомозиготных генотипов могут оказать влияние кровнородственные браки. При близкородственном скрещивании (инбридинге) частота гомозиготных генотипов увеличивается по сравнению с соотношениями закона Харди-Вайнберга. В результате этого вредные рецессивные мутации, определяющие заболевания, чаще оказываются в гомозиготном состоянии и проявляются в фенотипе. Среди потомства от кровнородственных браков с большей вероятностью встречаются наследственные заболевания и врожденные уродства.

Оказалось, что и другие признаки испытывают достоверное влияние инбридинга. Показано, что с увеличением степени инбридинга снижаются показатели умственного развития и школьная успеваемость. При увеличении коэффициента инбридинга на 10% коэффициент интеллекта снижается на 6 баллов (по шкале Векслера для де-

Контрольные вопросы 27

тей). Коэффициент инбридинга в случае брака двоюродных сибсов равен 1/16, для троюродных сибсов — 1/32.

В связи с повышением мобильности населения в развитых странах и разрушением изолированных популяций наблюдается снижение коэффициента инбридинга в течение всего XX в. На это также повлияло снижение рождаемости и уменьшение числа двоюродных сибсов.

При отдаленном скрещивании можно наблюдать появление гибридов с повышенной жизнеспособностью в первом поколении. Это явление получило название гетерозиса. Причиной гетерозиса является перевод вредных рецессивных мутаций в гетерозиготное состояние, при котором они не проявляются в фенотипе.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение наследственности и изменчивости.

2. В чем суть хромосомной теории наследственности?

3. Какие гены называют аллельными?

4. Что такое генотип? Дайте определение фенотипа.

5. Какие формы изменчивости существуют?

6. Какие мутации не наследуются?

7. Назовите причины мутаций.

8. Дайте определение модификационной изменчивости.

9. Что такое норма реакции? Чем определяется норма реакции?

11. В чем проявляется явление доминирования? Что такое гомо- и
гетерозиготы?

12. Сформулируйте первый закон Менделя.

13. Приведите пример кодоминирования.

14. Какие гены называются плейотропными?

15. Приведите пример множественности аллелей.

16. Приведите пример взаимодействия генов.

17. Чем аутосомы отличаются от половых хромосом?

18. От чего зависит пол у человека?

19. Приведите пример наследования, сцепленного с полом.

20. Что такое цитоплазматическая наследственность?

21. При каких условиях выполняется закон Харди-Вайнберга? Как
он формулируется?

Читайте также: