Молекулярна биология и наследствени болести при домашните животни проф дсн Лилян Сотиров

Когато изменението в хромозомният набор е за сметка на една или няколко хромозоми явлението се нарича анеуплоидия. Анеуплоидни гамети се получават при грешки при първото или второто делене на мейозата, при които не настъпва равно разделяне на хромозомите в двете дъщерни клетки. Така в една дъщерна клетка може да останат две хомоложни хромозоми от майчиният геном, а в другата дъщерна клетка нито една. Когато гамета, в която липсва една хромозома (n-1) се оплоди с нормална гемета, се получава индивид с генотип 2n-1 и явлението се нарича монозомия. Когато гамета с излишък от една хромозома (n+1) се оплоди с нормална гамета, се получава индивид с генотип 2n+1 и явлението се нарича тризомия и т.н. За разлика от полиплоидията, анеуплоидията се среща както при животните така и при човека, като голяма част от наследствените заболявания се дължат именно на такива отклонения. Част от тези заболявания при животните ще бъдат разгледани в следващите раздели.

Хромозомните аберации са трайни промени в структурата на хромозомите и се разделят на две групи:

1. 
   Вътрехромозомни – Делеция, Дупликация, Инверсия
   
2. 
   Междухромозомни - Транслокация
   

Делецията представлява загуба на вътрешен участък от хромозомата, в следствие от спонатанен разпад на част от хромозомата и последващото и съединяване (без изпадналата част). Разновидност на делецията е т.нар. терминална (крайна) делеция, при която изпадналата част от хромозомата е крайна – теломерен участък. Явлението се нарича Дефишънс. Много рядко може да се наблюдава двоен дефишънс при който отпадат два терминални участъка от хромозомата (в двата и края), след което останалите лепкави крайща на хромозомата се съединяват и се получава структура с пръстенообразна форма. При човека е наблюдавано такова явление при 21ва хромозома, познато като Ринг 21 синдром, характеризиращ се с антимонголоизъм. При този тип аберации клетката загубва функциите, които са били кодирани от гените разположени в изпадналата част от хромозомата. В повечето случаи, както при хората така и при животните това явление е пагубно за клетката.

Дупликацията представлява удвояване на определен участък от хромозомата. Обикновено се дължи на удвояване на хромозомен фрагмент по време на репликацията и в резултат на неравномерен кросинговър. Наследствените отклонения при това явление са свързани с нарушение в генният баланс, поради увеличеният брой локуси. При удвояването на големи участъци са наблюдавани отклонения в плодовитостта и преживяемостта на организма.

Инверсията представлява завъртането на участък от хромозомата на 180°, при което нуклеотидната последователност се подрежда в обратен ред. Обикновено това явление се получава вследствие на двоен разрив на едното рамо на хромозомата последвано от завъртане на полученият сегмент. Въпреки, че при тази аберация няма загуба на наследствен материал в повечето случаи тя е летална. При нея се променя рамката на четене на нуклеотидните последователности, вследствие на което се синтезират несвойствени за клетката полипептидни вериги. Инверсията бива два вида:

• 
  Парацентрична – завърта се едното рамо на хромозомата, без да се засяга центромера.
  
• 
  Перицентрични – засягат се двете рамена на хромозомата с прилежащият центромер.
  

Освен вътре в хромозомата понякога настъпват и междухромозомни аберации. Транслокацията представлява размяна на определени участъци между две нехомоложни хромозоми. В следствие на това явление се наблюдава прегрупиране на генетичният материал. Така разположението на даден ген е променено, което блокира неговата експресия. Транслокациите биват прости и сложни. При простите участък от една хромозома се прехвърля на друга нехомоложна с първата. При сложните транслокации се наблюдава размяна на участъци между две нехомоложни хромозоми като всяка се явява и донор и акцептор на генетичен материал.

В зависимост от начинът на възникване, мутациите биват:

1. 
   Соматични и герминативни
   
2. 
   Спонтанни и индуцирани
   
3. 
   Морфологични, Физиологични и Биохимични
   
4. 
   Летални, Сублетални и Субвитални
   

1. 
   Вътрехромозомни и Междухромозомни
   
2. 
   Дупликации и инверсии
   
3. 
   Делеции и Транслокации
   

8. 
   НУКЛЕИНОВИ КИСЕЛИНИ
   

Белтъците са най-застъпените органични съединения в живите организми. Всеки организъм се отличава със специфичността на белтъчините, които го изграждат. Многообразието им по отношение на пространствена структура и функциите на белтъците до голяма степен се дължат на друга група органични съединения – нуклеиновите киселини. За да се предават характерните белези за един вид от поколение на поколение е нужно наследствената информация да се предава с изключително голяма прецизност. Първоначално се е предполагало, че материален носител на наследствеността са белтъците, тъй като те са основните градивни елементи на клетките. Голям принос за изясняване на материалния носител на наследствеността имат изследванията на екипа на Ейвъри Маклеод и Мак Картни в периода 1940 – 1944 година. Тези изследователи за първи път доказват генетичната роля на откритите от Франсис Мишер нуклеинови киселини (nucleus – едро, т.е. съдържащи се в ядрото). За да бъде едно вещество носител на наследствената информация, то трябва да отговаря на следните три условия:

• 
  Молекулният му строеж трябва да позволява изключително прецизно презаписване съхранение на наследствената програма.
  
• 
  Количеството му в клетките трябва да бъде постоянно.
  
• 
  Да може да се самовъзпроизвежда и новите копия да се предават по равно в дъщерните клетки.
  

Веригите на нуклеиновите киселини са дълги, неразклонени, апериодични хетеробиополимери. Дължината им е значително по-голяма от тази на белтъците. Те са изградени от мономери (наречени нуклеотиди), чието подреждане е строго специфично за всеки вид. Всеки нуклеутид е съставен от три компонента:

• 
  Монозахарид – рибоза за РНК и дезоксирибоза за ДНК. В молекулата на нуклеотидите монозахаридният остатък винаги е с 5 въглеродни атома – пентоза и присъства в цикличната си форма.
  
• 
  Фосфатна група - Фосфатните остатъци придават киселинни свойства на НК. Отрицателните им заряди правят НК реактивоспособни и те лесно се свързват с белтъци, в които преобладават положителни заради, образувайки нуклеопротеиден комплекс. Азотните атоми в състава на базите прибавят макар и слаби основни свойства на НК.
  
• 
  Азотна база - хетероциклени съединения, които съдържат освен въглеродни и азотни атоми. Те имат плоска пръстенна структура. Според химичния си строеж биват два вида : пуринови и пиримидинови. Пуриновите имат два пръстена (големи бази), а пиримидиновите – един (малки бази).
  

Нуклеотидите се свързват помежду си в полинуклеотидни вериги (ПНВ). Това става като пентозите на два съседни нуклеотида се свържат по между си чрез фосфатния остатък със здрава ковалентна връзка. Тази връзка се изгражда между хидроксилната група при третия въглероден атом на пентозата на единият нуклеотид и фосфата при петия въглероден атом на другият нуклеотид. Връзката се означава като 3’-5’ фосфодиестерна. При синтезата на нова полинуклеотидна верига образуването на химичните връзки между отделните нуклотиди (по описаният начин) се отделя молекула вода.

Свързаните по този начин един след друг нуклеотиди образуват полинуклеотидна верига (полинуклеотид) и изграждат захарофосфатният скелет на нуклеиновите киселини. Двата края на полинуклеотида се различават по между си, което определя полярността и насочеността на молекулата. За начало (5’) се приема краят в който е локализиран фосфатният остатък, а за край (3’) на полинуклеотида се счита участъкът в който е хидроксилната група. Нуклеотидната последователност се записва в посока от 5’ към 3’ края на веригата, като всеки нуклеотид се записва с по една главна буква – Аденин (А), Гуанин (Г), Тимин (Т), Цитозин (Ц) и Урацил (У). Посоката на прочитане на нуклеотидната последователност е от съществено значение за правилното прочитане на кодираната генетична програма.

Пурини, пиримидини и комплементарността между тях.

Гуанинът е производно на пурин съединение изградено чрез свързването на пиримидинов и имидазолов пръстен. Химичното наименование на Гуанина е 2-амино-6-хидроксипурин, а молекулната му маса е 151,13 g/mol. Молекулната формула на Гуанина е C₅H₅N₅O като поради своята ненаситеност молекулата на този нуклеотид е плоска. При образуването на нуклеотидните двойки в молекулата на ДНК, Гуанинът винаги се свързва с Цитозин посредством три водородни връзки.

Аденинът е бяла кристална пуринова база с молекулна формула C₅H₃N₄NH_2. Освен при образуването на нуклеиновите киселини характерно за него е участиено му в структурата на аденозинтрифосфата, където спомага за функциите на клетъчното дишане. В молекулата на ДНК Аденинът се свързва с нуклеотидът Тимин, а в молекулата на РНК с нуклеотидът Урацил. Водородните връзки които се изграждат между описаните бази са двойни.

Тиминът спада към пиримидиновите азотни бази и е познат под името 5-метилурацил. От химична гледна точка тиминът е производно съединение на петият въглероден атом на урацила след метилация. Във веригите на ДНК Тиминът комплементира с Аденин като изградените водородни връзки са двойни. В молекулата на РНК този нуклеотид е заменен с нуклеотида Урацил.

Цитозинът е хетероциклено ароматно съединение производно на пиримидина. Химичната му формула е C₄H₅N₃O, а молекулната му маса - 111.10 g/mol. Освен Цитозин нуклеотидът може да бъде срещнат и под името 4-амино-1H-пиримидин-2-он. В молекулите на ДНК и РНК Цитозинът комплементира с нуклеотида Гуанин като водородните връзки, които се изграждат са тройни.

Урацилът е производно на пиримидина химично съединение, което замества нуклеотида Тимин в молекулата на РНК. Химичната му формула е C₄H₄N₂O₂^, а молекулната му маса - 112,09 g/mol. Освен Урацил нуклеотидът може да бъде срещнат и под името Пиримидин-2,4(1H,3H)-дион. В молекулата на РНК Урацилът се комплементира с нуклеотида Аденин като водородните връзки, които се изграждат са двойни.

Нуклеиновите киселини са най-важните органични съединения в клетката, защото именно те са носители и преносители на наследствената информация. Те биват два вида в зависимост от захарният остатък който притежават – Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) съдържаща дезоксирибоза (C₅O₄H₁₀) и Рибонуклеинова киселина (РНК) съдържаща рибоза (C₅O₅H₁₀). Освен захарид те притежават азотни бази и фосфорна киселина. При повечето живи организми наследствената информация се съхранява в молекули ДНК, а РНК молекулите пренасят тази информация до рибозомите, които от своя страна произвеждат специфичните белтъчини за всяка отделна клетка. Изключение от това правило правят някои вируси при които наследствената информация се съхранява в РНК молекули и прионите, които са все още не добре проучени, но се предполага, че тяхната наследственост се кодира в белтъчни молекули.

След изясняване механизма на клетъчно делене и доказването, че основен компонент на хромозомите са веригите на ДНК се установи, че основен материален носител на наследствеността е двойноверижната ДНК молекула.

Нуклеутидите са изградени от:

1. 
   Аминокиселина, АТФ и Азотиста киселина
   
2. 
   Въглерод, Цинк и Вода
   
3. 
   Монозахарид, Азотна база и Фосфорна киселина
   
4. 
   Полизахарид, Солна киселина и Ензими
   

1. 
   Ковалентна връзка
   
2. 
   Пептидна връзка
   
3. 
   Фосфодиестерна връзка
   
4. 
   Нековалентна връзка
   

1. 
   Хидроксилен остатък
   
2. 
   Фосфатен остатък
   
3. 
   Водороден остатък
   
4. 
   Въглероден остатък
   

8. 
   Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК)
   

Използвайки информацията получена от рентгенолозите Розалинд Франклин и Морис Уилкинс през пролетта на 1953 година Джеймс Уотсън и Франсис Крик построяват модел на пространствената структура на молекулата на ДНК. Розалинд Франклин и Морис Уилкинс през 1952 г. установяват, че ДНК има формата на спирала с диаметър 2 nm. Разстоянието между два съседни оборота е 3.4 nm, а между две съседни нуклеотидни бази – 0.34 nm. В един оборот на спиралата се съдържат 10 бази. Плътността на ДНК показва, че спиралата съдържа две полинуклеотидни вериги. Диаметърът е постоянен по цялата дължина на молекулата, което може да се обясни с разположението на базите вътре в спиралата насочени една срещу друга. За жалост Розалин Франклин се разболява и умира от рак поради което Нобеловата награда за откритието била присъдена само на двамата изследователи от университета Кеймбридж – Великобритания. Представеният модел на показва, че наследствената информация е закодирана в последователното подреждане на нуклеутидите в двойноверижна структура. Установено било, че ДНК е двойноверижна спирална молекула, чиито полинуклеотидни вериги са комплементарни и успоредни една на друга. Първичната структура се определя от броя, вида и последователността на отделните нуклотиди в молекулата на ДНК, а вторичната се определя от специфичната пространствена конформация, която молекулата заема.

Базите на срещуположните вериги са свързани по между си посредством водородни връзки и така те застават в една плоскост, при което по между им възникват и вертикални взаимодействия познати като стекинг взаимодействия. Всяка база е свързана с две или три водородни връзки към базата от отсрещната верига. Когато са в молекулата на ДНК водородните атоми са относително стабилни и образуват амино (-NH2) и кето (-CO) групи. Водородната връзка се образува между NH₂ и CO-групите на двете бази. Имайки предвид структурата и размера на базите това условие изисква А от едната верига да свърже с Т от другата верига, а Г да се свърже с Ц. При А-Т двойката съществуват две водородни връзки, а при Г-Ц двойката три. Тези двойки са известни като Крик-Уотсънови двойки. При разрушаване на двойната спирала могат да се образуват алтернативни тавтомерни форми – имино (-NH) и енолни (-COH) групи. От химична гледна точка водородните връзки са сравнително слаби, но огромният им брой в молекулата на ДНК придава изключителна стабилност на спиралата. Наличието в дезоксирибозата при 2’ въглеродния атом само на водород в сравнение с рибозата прави ДНК по-слабо реактивоспособна, но многократно по-стабилна в сравнение с РНК. Именно този феномен е наложил молекулата на ДНК като носител на наследствената информация, а РНК е само нейн преносител. Азотните бази на нуклеотидите са насочени към вътрешността на спиралата, като че ли са скрити в нея.

При създаването на пространственият модел Уотсън и Крик използвали и данните на един виден по онова време химик Ъруин Чаргаф. Той изследва чрез хартиена хроматография нуклеотидния състав на ДНК и установява, че количеството на адениновите остатъци е равно на количеството на тиминовите, а количеството на гуаниновите – на цитозиновите, т.е. съотношението между пуриновите и пиримидиновите бази е 1:1. Резултатите от тези анализи са познати като правило на Чаргаф. Това е и основният отличителен белег на двойната спирала на ДНК при нейното изграждане винаги срещу пуринова база от едната верига се свързва пиримидинова от другата – срещу Аденин винаги се свързва Тимин, а срещу Гуанин винаги се свързва Цитозин. Това правило било наречено комплементарност, т.е. съответствие (допълване) между базите. Единствено по този начин може да се изгради спирала по дължината, на която разстоянието между двете вериги да бъде еднакво. Описаната комплементарност на между двете вериги предопределя и механизмът на синтез на нови копия от молекулата, на което ще се спрем по-подробно в разделът репликация.

В единият край на молекулата винаги има хидроксилен анион (3’), а в другият фосфатна група (5’), което позволява молекулата да бъде удължавана почти неограничено. В повечето случаи ДНК са прави, неразклонени и отворени вериги, но при някои прокариоти, митохондриите и пластидите, двата края – 3’ и 5’ се свързват и образуват пръстеновидна молекула ДНК.

Пръстеновидните молекули ДНК (при бактериите, пластидите, митохондриите) са важен етап от еволюцията на генома. С развитието на организмите молекулата на ДНК постепенно увеличава размерите си, докато в един момент пръстеновидната форма била заменена с линейна. Линейни са всички молекули на еукариотната хромозома, както и ДНК на много вируси и фаги. Линейните молекули съществуват по-скоро като големи примки като свободните краищата на всяка примка контактуват в основата по такъв начин, че тя става подобие на пръстен. При някои прокариоти линейните и пръстеновидните форми на ДНК не се различават много ясно. Така при изолирането на ДНК от някои фаги тя има линейна форма, а в клетката на гостоприемника се намира в пръстеновидна форма. Тези изследвания доказват, че ДНК може да променя формата си в зависимост от условията при които е поставена.

Описаният до момента строеж на молекулата на ДНК недвусмислено показва нейната изключителна стабилност, но тя притежва и способността да се променя. Под въздействието на различни фактори на външната среда е възможно един нуклеотид от веригата да бъде заменен с друг, което променя смисъла на генетичният код. Единствено комбинацията от стабилност и изменчивост може да осигури изпълнението на комплексните биологични функции на нуклеиновите киселини. ДНК съхранява цялата информация нужна за съществуването на клетката – нейните структурни и функционални особености.

https://www.youtube.com/watch?v=kS5qREISS-Q

https://www.youtube.com/watch?v=lJZhzGNipJc

Суперспирализация на пръстеновидни ДНК

Наличието на пръстеновидни молекули ДНК е предпоставка за промяна в конформацията на ДНК спиралата. Най-често се наблюдава усукване на двойната спирала около собствената и ос, което води до образуването на вторична спирала. Такава молекула се нарича суперспирализирана. Суперспирализацията се извършва единствено при затворени структури, защото линейните молекули ДНК биха могли лесно да се деспирализират чрез разсукване на срещуположният край. Молекулите при които не се наблюдава суперспирализация се обозначават като релаксирани.

Съществуват два типа суперспирализация – положителна и отрицателна. При отрицателната суперспирализация посоката на усукване е обратна на вътрешната посока на двойната спирала ДНК. При този тип спирализация ДНК веригата облекчава торзионното напрежение и разхлабва увиването между двете си вериги. Резултатът от негативната суперспирализация е намаляването на броя на нуклеотидите в един оборот на спиралата. Такава ДНК верига се обозначава като разсукана.

При положителната суперспирализация веригата на ДНК се увива в посока на вътрешната ос на спиралата. Тя засилва торзионните сили и повишава стегнатостта на веригата. Такава ДНК верига се означава като преосукана.