Справочник Msd

Подтвердите, что вы находитесь за пределами Российской Федерации

Предоставлено Вам This site is not intended for use in the Russian Federation
Загрузка

Гены и хромосомы

Авторы:

David N. Finegold

, MD, University of Pittsburgh

Последний полный пересмотр/исправление окт 2019| Последнее изменение содержания окт 2019
Нажмите здесь, чтобы перейти к профессиональной версии
ПРИМЕЧАНИЕ: Это — пользовательская версия ВРАЧИ: Нажмите здесь, чтобы перейти к профессиональной версии
Нажмите здесь, чтобы перейти к профессиональной версии
Ресурсы по теме

Гены представляют собой сегменты дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и содержат код для определенного белка, функционирующего в одном или нескольких типах клеток в организме. Хромосомы — это структуры внутри клеток, которые содержат гены человека.

  • Гены содержатся в хромосомах, которые находятся в ядре клетки.

  • В одной хромосоме содержится от сотен до тысяч генов.

  • В каждой нормальной клетке человека содержится 23 пары хромосом, то есть всего 46 хромосом.

  • Признак — это любая генетически определенная особенность, часто обусловленная более чем одним геном.

  • Некоторые признаки вызваны мутировавшими генами, которые передаются по наследству или являются результатом новой мутации гена.

Белки являются, вероятно, самым важным классом веществ, из которых состоит организм. Белки — это не только строительный материал для мышц, соединительных тканей, кожи и других структурных образований. Они также необходимы для выработки ферментов. Ферменты — это сложные белки, которые контролируют и приводят в действие почти все химические процессы и реакции в организме. В организме вырабатываются тысячи различных ферментов. Таким образом, все строение и все функции организма управляются типами и количеством белков, которые синтезируются в организме. Синтез белков контролируется генами, которые находятся в хромосомах.

Генотип (или геном) — это уникальная комбинация генов человека, или индивидуальный набор генов. Таким образом, генотип — это полный комплект инструкций о том, как в организме данного человека должны синтезироваться белки и, следовательно, какое строение и функции должны быть у организма.

Фенотип — это фактическое строение и функция организма человека. Фенотип — это то, как генотип проявляется у человека: не все инструкции, заложенные в генотипе, могут проявляться (или выражаться). Выражен ли ген и то, как он выражен, определяется не только самим генотипом, но и окружающей средой (в том числе заболеваниями и питанием), а также другими факторами, часть которых до сих пор неизвестна.

Кариотип — это картина полного набора хромосом в клетках человека.

Гены

Всего у человека около 20 000-23 000 генов.

ДНК

Гены состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК содержит код — программу, используемую в синтезе белков. Гены отличаются по размеру, в зависимости от размеров белков, которые они кодируют. Каждая молекула ДНК представляет собой длинную двойную спираль, которая похожа на винтовую лестницу с миллионами ступеней. Ступени лестницы состоят из пар четырех типов молекул, называемых основаниями (нуклеотидами). На каждой ступени основание аденин (A) располагается в паре с основанием тимин (T), или же основание гуанин (Г) располагается в паре с основанием цитозин (Ц). Каждая чрезвычайно длинная молекула ДНК свернута внутри одной из хромосом.

Структура ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это клеточный генетический материал, содержащийся в хромосомах в пределах ядра и митохондрий клетки.

За исключением определенных клеток (например, сперматозоидов и яйцеклетки, а также эритроцитов), ядро клетки содержит 23 пары хромосом. В одной хромосоме содержится множество генов. Ген — это сегмент ДНК, который обеспечивает код для создания белка.

Каждая молекула ДНК представляет собой длинную двойную спираль, похожую на винтовую лестницу. В этой структуре две нити, состоящие из молекул сахара (дезоксирибозы) и фосфатов, скреплены парами из четырех молекул, так называемых оснований, которые образуют ступени лестницы. В этих ступенях аденин находится в паре с тимином, а гуанин — в паре с цитозином. Каждая пара оснований удерживается вместе посредством водородной связи. Ген состоит из последовательности оснований. Последовательности трех оснований кодируют аминокислоту (аминокислоты являются строительными блоками белков) или другую информацию.

Структура ДНК

Синтез белков

Белки состоят из длинной цепи аминокислот, последовательно соединенных друг с другом. Существует 20 различных аминокислот, которые могут использоваться в синтезе белков — некоторые должны поставляться с едой (существенные аминокислоты), а другие производятся ферментами в организме. Во время образования цепи из аминокислот такая цепь сама по себе складывается и образует сложную трехмерную структуру. Именно форма сложенной структуры определяет ее функцию в организме. Поскольку укладка определяется точной последовательностью аминокислот, каждая отдельная последовательность в результате приводит к образованию отдельного белка. Некоторые белки (например, гемоглобин) содержат несколько по-разному сложенных цепей. Инструкции для синтеза белков кодируются в пределах ДНК.

Кодирование

Информация кодируется в пределах ДНК последовательностью, в которой упорядочены основания (А, Т, Г и Ц). Код записан в триплетах. Это означает, что основания упорядочены в группы по три основания в каждой группе. Отдельные последовательности трех оснований в ДНК кодируют определенные инструкции, например, добавление одной аминокислоты к цепи. Например, Г-Ц-Т (гуанин, цитозин, тимин) кодирует добавление аминокислоты аланин, а Г-Т-Т (гуанин, тимин, тимин) — добавление аминокислоты валин. Таким образом, последовательность аминокислот в белке определяется порядком пар оснований триплета в гене для данного белка в молекуле ДНК. В процессе превращения кодированной генетической информации в белок задействованы транскрипция и трансляция.

Транскрипция и трансляция

Транскрипция — это процесс, в котором информация, закодированная в ДНК, переводится (преобразуется) в рибонуклеиновую кислоту (РНК). РНК представляет собой длинную цепь оснований, похожую на структуру ДНК, за исключением того, что основание тимин (Т) заменено на основание урацил (У). Таким образом, как и ДНК, РНК содержит кодированную триплетами информацию.

Когда начинается транскрипция, часть двойной спирали ДНК раскрывается и раскручивается. Одна из расплетенных нитей ДНК служит матрицей в образовании комплементарной нити РНК. Комплементарная нить РНК называется информационной РНК (и-РНК). и-РНК отделяется от ДНК, покидает ядро и проходит в цитоплазму клетки (внеядерный компонент клетки — см. Внутри клетки). Там и-РНК присоединяется к рибосоме, которая является крошечным структурным элементом клетки, где осуществляется синтез белка.

Во время трансляции код и-РНК (полученный от ДНК) указывает рибосоме порядок и тип связываемых друг с другом аминокислот. Аминокислоты доставляются в рибосому посредством значительно меньшей РНК, называемой транспортной РНК (т-РНК). Каждая молекула т-РНК доставляет одну аминокислоту для внедрения в растущую цепь белка, которая складывается в сложную трехмерную структуру под воздействием находящихся вблизи молекул, называемых молекулами шаперонов.

Контроль экспрессии генов

В организме человека есть множество видов клеток, например, клетки сердца, печени и мышц. Эти клетки выглядят и функционируют по-разному, а также вырабатывают совершенно разные химические соединения. Тем не менее, каждая клетка является потомком единственной оплодотворенной яйцеклетки и содержит по сути ту же самую ДНК. Клетки приобретают совершенно разный вид и выполняют разные функции в связи с тем, что различные гены выражены в разных клетках (а также в разное время в одной и той же клетке). Информация о том, когда ген должен быть выражен, также закодирована в ДНК. Экспрессия гена зависит от типа ткани, возраста человека, наличия особых химических сигналов, а также множества других факторов и механизмов. Знания всех этих факторов и механизмов, которые контролируют экспрессию генов, быстро растут, но многие из этих факторов и механизмов до сих пор остаются недостаточно изученными.

Механизмы, при помощи которых гены контролируют друг друга, являются чрезвычайно сложными. В генах присутствуют химические маркеры, которые предписывают, где транскрипция должна начаться и где закончиться. Различные химические соединения (например, гистоны) внутри и вокруг ДНК блокируют или разрешают транскрипцию. Кроме того, нить РНК, называемая антисмысловой РНК, может спариваться с комплементарной нитью и-РНК и блокировать трансляцию.

Репликация

Клетки воспроизводятся путем деления на две клетки. Поскольку каждой новой клетке требуется полный набор молекул ДНК, молекулы ДНК в исходной клетке должны воспроизвести (скопировать) сами себя во время деления клетки. Репликация происходит способом, аналогичным транскрипции, за исключением того, что вся двуниточная молекула ДНК раскручивается и разделяется на две. После разделения основания в каждой нити связываются с комплементарными основаниями (А с Т, а Г с Ц), которые свободно перемещаются неподалеку. Когда процесс завершен, получаются две идентичные двуниточные молекулы ДНК.

Мутация

Для предотвращения ошибок в процессе репликации у клеток есть функция «проверочного считывания», помогающая убедиться в том, что пары образуются правильно. Существуют также химические механизмы ремонта ДНК, которая была скопирована с ошибкой. Тем не менее, поскольку в процессе синтеза белка участвуют миллиарды пар оснований, а также в связи со сложностью процесса синтеза белков, могут случаться ошибки. Подобные ошибки могут происходить по многим причинам (в том числе из-за воздействия облучения, лекарственных препаратов или вирусов) или же без каких-либо очевидных причин. Незначительные изменения в ДНК встречаются очень часто и случаются у большинства людей. В большинстве своем изменения не затрагивают последующие копии генов. Ошибки, которые воспроизводятся в последующих копиях, называются мутациями.

Врожденные мутации — это мутации, которые могут передаваться потомству. Мутации могут наследоваться только в том случае, если они поражают репродуктивные клетки (сперматозоиды или яйцеклетки). Мутации, не затрагивающие репродуктивные клетки, проявляются у потомков мутировавшей клетки (например, превращают их в раковые клетки), но не передаются потомству.

Мутации могут быть уникальными для каждого человека или семьи, при этом большинство вредных мутаций встречаются редко. Мутации, которые стали настолько распространенными, что они затрагивают более 1% населения, называются полиморфизмом (например, группы крови человека в системе АВO — А (II), В (III), АВ (IV) и O (I)). Большинство видов полиморфизма не влияют или мало влияют на фенотип (фактическое строение и функцию организма человека).

Мутации могут поражать малые или большие сегменты ДНК. В зависимости от размера и местоположения, мутация может не оказывать очевидного влияния, или же может менять аминокислотную последовательность в белке либо уменьшать количество вырабатываемого белка. Если в белке присутствует другая аминокислотная последовательность, его функционирование может измениться или полностью отсутствовать. Отсутствующий или нефункционирующий белок часто наносит вред или является смертельным. Например, при фенилкетонурии мутация приводит к нехватке или отсутствию фермента фенилаланингидроксилазы. Такая нехватка приводит к накоплению в организме аминокислоты — фенилаланина (всасывается из продуктов питания), что, в конечном итоге, приводит к тяжелой умственной отсталости. В редких случаях мутация приводит к изменению, которое является благоприятным. Например, в случае гена серповидноклеточной анемии, когда человек наследует две копии аномального гена, у него развивается серповидноклеточная анемия. Однако если человек наследует только одну копию гена серповидноклеточной анемии (что называется носительством), у него появляется определенная защита от малярии (инфекция крови). Хотя защита от анемии и помогает носителю выжить, серповидноклеточная анемия (у человека с двумя копиями гена) вызывает симптомы и осложнения, которые могут уменьшить продолжительность жизни.

Естественный отбор — это понятие, основанное на том, что мутации, уменьшающие шансы на выживание в данной среде, с меньшей вероятностью передаются потомству (и, таким образом, становятся менее распространенными в популяции), в то время как мутации, повышающие шансы на выживание, становятся более распространенными. Таким образом, благоприятные мутации, хотя и являются поначалу редкими, со временем становятся распространенными. Медленные изменения, происходящие со временем и вызванные мутациями, а также естественный отбор в скрещиваемой популяции в совокупности называются эволюцией.

Знаете ли Вы, что...

  • Не все аномалии генов причиняют вред. Например, ген, который вызывает серповидноклеточную анемию, при этом обеспечивает защиту от малярии.

Хромосомы

Хромосома состоит из очень длинной нити ДНК и содержит множество генов (от сотен до тысяч). Гены в каждой хромосоме расположены в определенной последовательности, причем каждый ген в хромосоме имеет свое собственное место (называемое локусом). В дополнение к ДНК, в хромосомах содержатся другие химические компоненты, которые воздействуют на функцию гена.

Спаривание

За исключением определенных клеток (например, сперматозоидов и яйцеклетки, или эритроцитов), ядро каждой нормальной клетки человека содержит 23 пары хромосом, а в общей сложности — 46 хромосом. Обычно каждая пара состоит из одной материнской и одной отцовской хромосомы.

Существуют 22 пары неполовых (аутосомных) хромосом и одна пара половых хромосом. Парные неполовые хромосомы практически являются идентичными по размеру, форме, а также по расположению и количеству генов. Поскольку в каждой из спаренных неполовых хромосом содержится по одному соответствующему гену, копировать гены в этих хромосомах нет смысла.

23-я пара состоит из половых хромосом (X и Y).

Половые хромосомы

Эта пара половых хромосом определяет, будет ли плод мужского или женского пола. Мужчины имеют одну Х- и одну Y-хромосому. У мужчин Х-хромосома приходит от матери, а Y-хромосома — от отца. У женщин две Х-хромосомы — одна от матери, а другая от отца. Кое в чем половые хромосомы функционируют иначе, чем неполовые хромосомы.

Y-хромосома меньшего размера содержит гены, определяющие мужской пол, а также несколько других генов. Х-хромосома содержит намного больше генов, чем Y-хромосома, при этом у многих из этих генов функции не ограничиваются определением пола и не имеют аналогов в Y-хромосоме. У мужчин, в связи с отсутствием второй Х-хромосомы, эти дополнительные гены в Х-хромосоме не являются парными, и практически все из них выражены. Гены в Х-хромосоме называются сцепленными с полом, или же Х-сцепленными генами.

Обычно в неполовых хромосомах гены в обеих парных хромосомах способны быть полностью выраженными. Тем не менее, у женщин большинство генов в одной из двух Х-хромосом отключены посредством процесса, называемого Х-инактивацией (за исключением яйцеклеток в яичниках). Х-инактивация происходит на ранней стадии жизни плода. В некоторых клетках отцовская Х-хромосома становится неактивной, а в других клетках дезактивируется материнская Х-хромосома. Таким образом, в одной клетке может быть материнский ген, а в другой клетке — отцовский. Отсутствие одной Х-хромосомы вследствие Х-инактивации обычно приводит к относительно небольшим нарушениям (таким как синдром Тернера). Таким образом, отсутствие Х-хромосомы наносит значительно меньший вред в сравнении с недостающей неполовой хромосомой (см. Обзор аномалий половых хромосом).

Если у женщины есть нарушение, при котором у нее присутствуют более двух Х-хромосом, лишние хромосомы, как правило, активности не проявляют. Таким образом, наличие одной или более лишних Х-хромосом приводит к намного меньшим порокам развития по сравнению с избытком одной или более неполовых хромосом. Например, женщины с тремя Х-хромосомами (синдром трисомии Х) часто являются физически и умственно нормальными. Мужчины, у которых более одной Y-хромосомы ( Синдром XYY), могут иметь физические и умственные отклонения.

Хромосомные отклонения

Существует несколько типов хромосомных аномалий. У человека может быть аномальное количество хромосом или могут присутствовать участки с нарушениями в одной или более хромосомах. Многие подобные аномалии можно диагностировать до родов (см. Анализ на хромосомные и генные нарушения).

Аномальное количество неполовых хромосом обычно приводит к тяжелым порокам. Например, наличие лишней неполовой хромосомы может быть смертельным для плода или же приводить к порокам развития, например, синдрому Дауна, который обычно является результатом наличия у человека трех копий хромосомы 21. Отсутствие неполовой хромосомы является для плода смертельным.

Большие участки на хромосоме могут иметь нарушения, обычно вследствие того, что отсутствует целая секция (так называемая делеция), или же секция ошибочно помещается в другую хромосому (так называемая транслокация). Например, причиной развития хронического миелолейкоза иногда является транслокация части хромосомы 9 на хромосому 22. Такое нарушение может быть наследственным или же результатом новой мутации.

Митохондриальные хромосомы

Митохондрии — это крошечные структурные образования внутри клетки, которые синтезируют молекулы, используемые для получения энергии. В отличие от других внутриклеточных образований, у каждой митохондрии есть своя собственная кольцевая хромосома. Такая хромосома содержит ДНК (митохондриальную ДНК), которая кодирует некоторые, хотя и не все, белки, входящие в состав этой митохондрии. Митохондриальная ДНК обычно является только материнской, поскольку, как правило, при оплодотворении яйцеклетки только митохондрии яйцеклетки становятся частью развивающегося эмбриона. Митохондрии из спермы обычно не становятся частью развивающегося эмбриона.

Признаки

Признак — это любая генетически определенная особенность. Многие признаки определяются функцией более чем одного гена. Например, рост человека, вероятно, определяется многими генами, влияющими на рост, аппетит, мышечную массу и уровень активности. Тем не менее, некоторые признаки определяются функцией одного гена.

Разнообразие некоторых признаков, например, цвета глаз или группы крови, считается нормальным. Другие разновидности, например, альбинизм, синдром Марфана и болезнь Гентингтона, приносят вред строению организма или его функционированию и считаются заболеваниями. Тем не менее, не все такие нарушения генов являются одинаково вредными. Например, одна копия гена серповидных клеток может обеспечить защиту от малярии, но две копии гена приводят к развитию серповидноклеточной анемии.

Генетические заболевания

Генетическое заболевание — это неблагоприятный признак, вызванный патологическим геном. Патологический ген может быть наследственным или же возникнуть спонтанно в результате новой мутации. Генетические аномалии достаточно типичны. Люди являются носителями в среднем от 100 до 400 патологических генов. Тем не менее, в большинстве случаев соответствующий ген в другой хромосоме пары является нормальным и не допускает развития каких-либо вредных последствий. Риск наличия двух копий одного и того же патологического гена (и, следовательно, заболевания) у человека в основной популяции чрезвычайно мал. Тем не менее, у детей, которые являются потомками близких родственников по крови, этот риск повышается. Риск также более высок у детей родителей, которые сочетаются браком в пределах изолированной популяции, например, амишей или меннонитов.

Знаете ли Вы, что...

  • Люди являются носителями в среднем от 100 до 400 патологических генов.

ПРИМЕЧАНИЕ: Это — пользовательская версия ВРАЧИ: Нажмите здесь, чтобы перейти к профессиональной версии
Нажмите здесь, чтобы перейти к профессиональной версии
Получите

Также интересно

Видео

Посмотреть все
Тело человека: клетки, ткани, органы и системы органов
Видео
Тело человека: клетки, ткани, органы и системы органов

Последнее

НАВЕРХ