Ereditate si variabilitate - definitie ; generalitati - laturi fundamentale ale geneticii

Prin ereditate se intelege propr. unui org. de a transmite caracterele sale, urmasilor.

Ereditatea repr. functia biologica de conservare si de mostenire a caracterelor morfologice, functionale, biochimice si psihologice in succesiunea generatiilor. De fapt, tre. sa intelegem ca nu se transmit caracterele ca atare ci capac. de a dezv. aceste caractere la urmasi, ceea ce inseamna ca fiecare org. are propria sa ereditate, care este inscrisa, codificata in structuri moleculare specifice sub forma de informatie genetica.

Prin ceea ce inseamna ereditate ne explicam asemanarea intre genitori (parinti) si progeni (copii), dar nu identitatea, pt. ca ereditatea conserva caracterele dar nu perfect. Urmasii mostenesc 2 parinti cu caractere relativ diferite si nu unul singur. Asta inseamna ca indivizii inruditi biologic detin in anumite limite un fond ereditar comun.

Pe de alta parte, un individ se deosebeste de ceilalti membri ai colectivitatii, de ascendentii sai, de fratii sai. Prin aceasta se confirma cea de-a doua latura fundamentala a geneticii care este variabilitatea. Ea este starea de neasemanare, diferenta calitativa si cantitativa intre indivizi, diferenta care este sau nu conditionata genetic.

Cadrul variatiilor este f. larg :

- v. intraindividuale - la nivel celular

- v. individuale - in interiorul unei populatii

- v. interpopulationale - intre indivizii diferitelor populatii

In functie de ceea ce determina aceasta variatie, avem :

- v. definite - date de factorii de mediu

- v. nedefinite - date de o mutatie genetica

- v. continue - determinate de un ansamblu poligenic

Majoritatea acestor variatii se manifesta fenotipic, dar unele nu apar in toate generatiile, ci sar peste una sau doua generatii.

Genetica studiaza structurile, mecanismele si legile ereditatii si variabil 858c25i itatii. Termenul de genetica : genno = a genera, a da nastere. Genetica studiaza modalitatea si legitatea dupa care parintii transmit copiilor o parte din caracterul lor.

Din def. geneticii se desprind cele doua laturi fundamentale ale continutului sau : ereditatea si variabilitatea.

2. Genotip si fenotip - def. ; relatia dintre ele

Genotipul (G) - repr. constitutia genetica a unui org., adica totalit. genelor existente intr-o celula diploida detinatoare de informatie ereditara. G se stabileste in momentul fecundarii si constituie zestrea genetica a oului (zigotului) nou format, prin contributia genetica a celor 2 parinti. G ramane stabil in tot cursul existentei individului, deci nu se modifica si nu e influentat de nici un alt gen de factori.

Fenotipul (F) - repr. totalitatea caracterelor morfologice, functionale, biochimice si psihice ale unui organism, reprezentand rezultatul observabil manifest al interactiunii dintre fondul genetic individual si complexul factorial extern (totalitatea factorilor externi care ar putea influenta evolutia unui individ). F = G + M (mediu)

F exprima ceea ce noi suntem, el este potential variabil, expus modelarilor in timpul parcurgerii etapelor ontogeniei. Responsabilitatea majora pentru aceste modelari apartine factorilor de mediu, aceasta insemnand ca exprimarea caracterelor fenotipice normale sau anormale este rezultatul interactiunii dintre ereditate si mediu.

- relatia G - F - este determinativa pt. ca zestrea ereditara constituie suportul caracterelor fenotipice ereditare, dar G nu se exprima total in F pt. ca exista gene recesive care se exprima fenotipic numai atunci cand sunt impreuna.

- relatia M - F - mediul nu poate influenta in totalitate un caracter ereditar.

- relatia M - G - se poate interpreta in masura in care se poate demonstra rolul modificator al agentilor externi asupra materialului genetic. Aceasta actiune externa poate reprezenta cauza unor mutatii genetice care odata aparute sunt transmisibile.

3. Rolul mediului in relatia G - F

Ca o concluzie, putem spune ca G nu determina in mod trist un F unic si care nu se poate schimba. In conditii de mediu diferite, aceeasi zestre ereditara se va exprima intr-o varietate de fenotipuri.

Caracterul d.p.d.v. genetic este considerat un atribut al organismului. C. apare ca un mod de expresie morfologica, functionala, biochimica si psihica, conditionat de una sau mai multe gene in conditii particulare de mediu.

Indivizii se deosebesc intre ei si prin trasaturi - adica forme sub care se poate exprima un caracter intr-o populatie.

Acest fenomen poarta numele de polimorfism.

Polimorfismul explica diversitatea individuala biochimica.

Prin efectul produs trasaturile pot fi favorabile, neutre sau dezavantajoase.

In conditionarea unui caracter sunt implicate doua categ. de factori :

- caracterul genetic - zestrea

- factorul ambiental - de mediu

In legatura cu realizarea unui c. situatiile se diferentiaza in functie de ponderea actiunii celor doua categ. de factori.

Aceasta inseamna ca vom avea :

- c. ereditare - constituite exclusiv pe baza structuriilor genetice

- c. pur ecologice - bazate aparent in mod complet pe factori de mediu

Se foloseste cuvantul aparent - aceasta insemnand ca este f. greu de stabilit daca un c. este pur genetic sau pur ecologic.

4. Cromosomii umani - numar ; tipuri ; morfologie

Elementele structurale ale ereditatii : cromosomii umani (Crs), celule haploide, celule diploide, crs. somatici, crs. sexuali, aspectul cromosomului.

Cromosomii umani sunt formatiuni intracelulare cu morfologie caracteristica, care pot fi observate la microscopul optic. Denumirea vine de la croma = culoare si soma = corp.

Ei se pot observa in timpul diviziunii celulare. Crs. sunt detinatorii materiali ai informatiei ereditare si sunt caracteristici fiecarei specii ca nr., forma si dimensiune.

In 1956 s-a stabilit ca celula somatica a speciei umane are 46 de crs.

Celulele corpului sunt de doua feluri :

- c. somatice - au 46 crs., adica 2n, adica c. diploidde

- c. sexuale (gametice) - au 23 crs. - n, c. haploide

C. sexuale sunt : ovulul - la femei si spermatozoidul - la barbati.

Din unirea a doua garnituri haploide de crs. (ovulul si spermatozoidul), in procesul fecundarii, se constituie celula-ou sau zigotul, adica o garnitura diploida. Aceasta este transmisa prin diviziuni succesive fiecarei celule somatice organismului care se formeaza. Inseamna ca in nucleul celulei somatice, fiecare crs. se afla in dublu exemplar : unul de provenienta materna care vine din ovul, altul de provenienta paterna adus de spermatozoid. Ei alcatuiesc perechea de crs. omologi care au aceeasi dimensiune, forma si functie, adica poarta aceleasi gene si detin informatia ereditara pt. aceleasi caractere ; originea lor este insa diferita.

Dupa functia genetica se recunosc doua tipuri de crs. :

- crs. somatici - care se mai numesc autosomi - 44 xx

- crs. sexuali - care se mai numesc gonosomi - 2 xy

Gonosomii la femei sunt identici - xx. Gonosomii la barbati nu sunt identici ci sunt xy.

Autosomii (44) detin gene pt. caracterele somatice ale organismului.

Gonosomii (2) au rol in determinismul genetic al sexului.

Crs. x detine gene de sexualizare, dar si un nr. mare de diverse caractere somatice.

Crs. y detine gene de sexualizare si mai putine gene somatice.

Crs. este alcatuit din doua unitati structurale longitudinale identice la marime si forma, care se numesc cromatide. Ele sunt libere pe lungimea lor, cu exceptia unei regiuni in care se unesc (in centromer).

Dupa pozitia pe care o ocupa centromerul imparte cromatida in doua parti egale sau inegale. Bratul scurt se noteaza cu p iar cel lung cu q.

Tot d.p.d.v. al centromerului, crs. se impart in 3 categ. :

- metacentrici - au bratele egale sau aprox. egale>

- submetacentrici - cu centromerul mai aproape de una din extremitati

- acrocentrici - cand bratul scurt este atat de scurt iincat practic centromerul se afla la unul din capetele crs.

Identificarea crs. se real. dupa lungimea, pozitia centromerului, prezenta sau absenta satelitilor si nr. constrictiilor secundare.

5. Cariotipul uman normal

Dispunerea sistematizata in perechi de crs. a unei singure celule somatice pe baza lungimii, a pozitiei centromerului sau a altor criterii morfologice precis codificate prin standarde internationale real. cariotipul.

Cariotipul repr. un indicator genetic semnificativ pt. celula sau individ. In cariotip fiecare grupa cuprinde un nr. de perechi de crs. Crs. din prima grupa sunt cei mai mari, iar cei din ultima grupa sunt cei mai mici.

Grupa A - cuprinde primele 3 perechi de crs., care au talia cea mai mare si sunt metacentrici.

Grupa B - cuprinde perechile 4 - 5, cu crs. mari, dar mai mici decat in grupa A si sunt submetacentrici.

Grupa C - cuprinde crs. de la perechile 6 pana la 12, de marime medie, si sunt submetacentrici.

Grupa D - cuprinde perechile de la 13 la 15, de marime medie, sunt acrocentrici si prezinta si sateliti.

Grupa E - cuprinde crs. perechii 16, metacentrici, de marime medie si perechile 17 si 18, submetacentrici, de marime mica.

Grupa F - cuprinde perechile 19 si 20 cu crs. mici, metacentrici.

Grupa G - cuprinde perechile 21 si 22 de dimensiuni mici, acrocentrici si cu sateliti.

Crs. y are aspect asemanator cu al crs. din grupa G, de tip acrocentric si lipsit de sateliti.

Pe baza criteriilor morfologice este posibila recunoasterea sigura doar a unor perechi de crs., adica : 1, 2, 3, 16, 17 si y. Celelalte perechi se identifica precis printr-o metoda speciala care se numeste marcaj in benzi.

Banda este o marcare a crs., care printr-o colorare specifica apare la microscop mai intunecata sau mai clara, putand fi deosebita de segmentele adiacente. Benzile pot fi puse in evidenta la toti crs.

Cu ajutorul acestei metode putem deci identifica cu certitudine toate perechile de crs., dar in acelasi timp putem descoperi anomalii minore ale crs., care ne pot ajuta in diagnosticul unor boli genetice.

6. Motivatii pt. studiul cariotipului ; indicatii pt. studiul cariotipului

Cercetarea cariotipului ofera informatii cu privire la structura materialului genetic organizat in crs. si de asemenea ofera posibilitatea evidentierii unor anomalii cromosomiale care determina modificari fenotipice.

Investigatia citogenetica (a cariotipului), este justificata numai intr-un nr. limitat de situatii, ceea ce presupune o selectie anticipata a cazurilor.

Este inutil sa faci o investigatie de acest gen la persoane cu defecte congenitale comune. De asemenea este inutil sa efectuezi cariotipul in deficite mentale aparute ca urmare a unor boli metabolice, precum si in toate tulburarile conditionate de o singura gena (monogenice), pt. ca in aceasta ultima situatie cariotipul nu poate fi decat normal.

Situatii in care este necesar studiul cariotipului :

- sindroame cu malformatii multiple si severe

Atunci cand apar sindroame care se constituie in malformatii multiple, severe, nesistematizate, adica neincluse intr-o patologie comuna cunoscuta, sigura. Se foloseste in special in situatii in care se asociaza si deficit mental.

Aceste sindroame plurimalformative apar de regula ca urmare a anomaliilor de nr. si structura a cromosomilor. Efectuarea cariotipului este necesara chiar atunci cand aspectul fenotipic al individului sugereaza diagnosticul.

- deficite mentale

Cand apar deficite mentale cu grade diferite de intensitate, cariotipul se efectueaza in aceste situatii chiar si atunci cand nu apar malformatii vizibile si cand cauza este nedeterminata. Aprox. 10% dintre copin cu deficit mental au anomalii cromosomiale.

- stari intersexuale - persoane cu ambiguitate sexuala

La aceste persoane organele genitale prezinta o ambiguitate anatomica, iar stabilirea sexului civil este o problema. Studiul cariotipului este obligatoriu pt. identificarea crs. sexuali, ceea ce pune diagnosticul de sex genetic. Cariotipul se realizeaza intotdeauna inaintea stabilirii sexului civil.

- sterilitate sau infertilitate a cuplului

Sunt cupluri in care se inregistreaza avorturi spontane repetate, nou-nascuti morti sau cu malformatii, in care efectuarea cariotipului ar putea stabili cauza esecului de reproducere a cuplului.

- stabilirea sexului antenatal

Exista anomalii cromosomiale legate de crs. sexual, in special de crs. x. Efectuarea cariotipului inainte de nastere pt. a stabili sexul copilului este majora in cazul unor boli transmise de mama numai baietilor, de ex.

- insuficienta pubertara de origine gonadica

In acest caz cariotipul ar putea evidentia anomalii la nivelul gonosomilor si in aceasta grupa se afla fete cu talie redusa si proportionata dar cu amenoree (absenta menstruatiei) si baieti cu aspect longilin si slabuti, la care se observa atrofieri testiculare, criptorhidie - absenta testicului de la locul unde ar trebui sa fie si ginecomastie - dezv. exagerata a mamelelor la barbati.

- existenta unui copil malformat intr-un cuplu

In aceste situatii cariotipul nu face decat sa convinga parintii ca riscul de a se repeta aceasta afectiune la urmatorii copii nu exista (aceasta afectare a copilului este data de o gena mutanta).

Decizia de a efectua cariotipul trebuie sa fie f. riguroasa.

7. Mitoza - generalitati. Fazele mitozei

Din celula initiala (zigotul), prin diviziuni repetate rezulta organismul uman, care in starea de adult are aprox. 10¹⁴ celule.

Diviziunea celulara repr. unul dintre procesele fundamentale ale vietii.

Organismele cu reproducere sexuata au doua tipuri de diviziuni :

- mitoza

- meioza

Mitoza este diviziunea celulelor somatice, adica cele care au o garnitura dubla de crs. Prin diviziunea unei celule diploide se formeaza alte doua celule identice d.p.d.v. genetic intre ele si identice cu celula-mama.

Fiecare dintre celulele-fiice va avea o garnitura dubla de crs., materialul genetic distribuindu-se in mod egal si total la celulele rezultate. Este o diviziune ecvationala.

Transmiterea informatiilor genetice de la o celula la alta implica doua etape fundamentale : una metabolica (interfaza) si o faza diviziune propriu-zisa. Etapa metabolica precede diviziunea celulara.

Fazele mitozei :

1. Interfaza - unde are loc procesul de sinteza a unor compusi celulari (ADN, ARN, proteine) a caror cantitate se dubleaza. Din acest motiv aceste substante se pot distribui in mod egal celulelor-fiice.

Mitoza propriu-zisa este constituita din cele 4 procese :

2. Profaza - crs. devin vizibili la microscop si sunt alcatuiti din doua cromatide unite prin centromer.

3. Metafaza - unde membrana celulara dispare, crs. se ingroasa, se scurteaza si se ataseaza cu ajutorul centromerului la fibrele fusului de diviziune, intr-un singur la ecuatorul celulei.

In aceasta etapa se pot observa detalii legate de morfologia crs. si din aceasta cauza metafaza este momentul cel mai potrivit pt. studii citogenetice.

4. Anafaza - in care are loc distributia materialului genetic, centromerul se divide longitudinal si cele doua cromatide se separa (disjunctie cromosomiala). Fiecare dintre cele doua cromatide migreaza catre polii celulei, migrarea facandu-se simultan si cu aceeasi viteza.

5. Telofaza - membrana celulara desavarseste diviziunea inconjurand fiecare dintre celulele rezultate. Rezulta doua celule-fiice cu cate 46 de crs. Crs. capata un aspect filamentos si isi pierd structura vizibila la microscop. Se constituie apoi nucleii celulari care intra in interfaza.

Mitoza este un proces perfect reglat si riguros. Ea asigura prin pastrarea constanta a cantitatii de ADN transmiterea nemodificata a informatiei genetice in succesiunea generatiilor celulare.

8. Meioza - fazele meiozei

Meioza repr. un tip particular de diviziune celulara in urma careia, dintr-o celula diploida (2n), dupa doua diviziuni succesive rezulta celule haploide (n) - un nr. de celule redus la jumatate.

Acestea sunt celulele sexuale mature sau gameti, respectiv ovulul si spermatozoidul. Acest tip de diviziune are loc in gonade.

Meioza are doua etape :

- meioza 1 - primara

- meioza 2 - secundara

Meioza primara

Dintr-o celula diploida rezulta prin diviziune doua celule haploide.

1. Profaza I - este etapa cea mai lunga si cea mai complicata, are mai multe stadii de succesiune si in aceasta faza se poate realiza un schimb reciproc de fragmente egale intre 2 crs. omologi. Acest proces de schimb se numeste crossingover.

Acest eveniment (crossingover-ul) constituie o premisa a producerii variabilitatii genetice in populatiile care se reproduc sexual.

2. Metafaza I - crs. se orienteaza si se dispun in plaanul ecuatorial al celulei.

3. Anafaza I - crs. omologi se separa si se indreapta in directii opuse catre cei 2 poli ai celulei, dar centromerul nu se divide, ceea ce inseamna ca fiecare celula-fiica va primi cate unul din cei 2 crs. omologi, devenind astfel celula haploida.

4. Telofaza I - structurarea membranei nucleare. In acceasta faza crs. nu isi pierd individualitatea, iar celulele-fiice detinatoare a din nr. initial de crs. nu se despart.

Meioza secundara - se desfasoara in linii mari asemanator mitozei si trecand prin aceleasi faze. De aceea acestei meioze (II secundara) i se mai spune diviziune homotipica.

In final, din cele doua celule haploide rezulta 4 celule haploide care poarta numele de gameti. Unirea gametilor masculini si feminini in timpul fecundarii are ca rezultat formarea zigotului la care se reface garnitura diploida de crs. specifica speciei. Fara aceasta injumatatire a setului de crs. in meioza s-ar dubla nr. de crs. la fiecare generatie, ceea ce nu este normal.

Meioza are un rol esential pt. reproducerea organismelor si pt. conservarea insusirilor parintilor.

Ea creeaza conditiile transmiterii informatiei ereditare de la o generatie la alta prin intermediul gametilor.

9. Accidente genetice in mitoza si meioza. Consecinte

Aceste erori (sau accidente de distributie a materialului genetic) se pot produce prin doua mecanisme :

a) Nondisjunctia cromatidiana - aceasta se intampla in anafaza - centromerul nu se divide, cromatidele nu se pot separa si ele se deplaseaza impreuna la un pol al celulei. Prin aceasta manevra repartizarea materialului genetic nu mai poate fi egala. Cele doua celule-fiice vor avea fiecare un nr. anormal de crs. :

- una va avea un crs. in plus (2n+1) - 3 crs. identici si se numeste trisomie - 47,xx,+21

- cealalta celula rezultata va avea un crs. in minus (2n-l) si se numeste monosomie - 45,xx,-21

b) Intarzierea anafazica a unei cromatide. Din motive necunoscute una dintre cromatide se deplaseaza cu o viteza mai mica spre polul celulei. Aceasta inseamna ca ea va intarzia sa ajunga la locul cuvenit, in momentul in care se reconstituie nucleul, adica in telofaza. Urmarea este ca ea nu va fi cuprinsa in nucleul acelei celule-fiice.

In consecinta o celula va avea 2n, cealalta va avea 2n-l si se numeste monosomie.

Consecintele acestor accidente se exprima la nivelul organismului prin aparitia unei populatii celulare cu un nr. diferit de crs., rezultand un mozaic cromosomial in care alaturi de celule normale (2n=46) apar si una-doua linii de celule anormale, cu 47 sau 45 crs. Nu toate aceste linii sau clone nou-formate supravietuiesc, unele fiind eliminate, dar existenta liniilor anormale produce adesea efecte negative in ansamblul structurii si formarii organismului.

Cu cat accidentul s-a produs mai devreme in evolutia ontogenetica, cu atat efectele sunt mai grave. Acesta este motivul pt. care accidentele suferite in perioada de organogeneza a embrionului se soldeaza cu malformatii grave, de regula incompatibile cu viata.

In timpul meiozei se pot produce erori de distributie a cromosomilor.

a) Nondisfunctia poate avea loc in etapa primara a meiozei, cand cromosomii omologi din una sau mai multe perechi nu se separa in timpul anafazei, deci nu se distribuie egal celulelor-fiice, ci migreaza impreuna catre una din aceste celule. Acest accident poate surveni insa si in meioza secundara si aici vorbim despre nondisjunctia centromerului. Astfel cromatidele unui crs. nu se separa si se deplaseaza impreuna ca in mitoza. Foarte rar se poate intampla ca nondisjunctia sa apara in ambele meioze in cursul aceluiasi proces meiotic.

Meioza II secundara este de fapt o mitoza.

b) Intarzierea anafazica a unui crs. sau a unei cromatide in meioza secundara are loc in urma separarii precoce a celor doua elemente urmata de intarzierea la ecuator si de pierderea sa la nucleu.

Consecinta erorilor de distributie in meioza consta in producerea unor gameti neechilibrati, cu anomalii cromosomice numerice. Unele celule sexuale vor avea 2 sau mai multi crs. omologi suplimentari. Din alte celule sexuale vor lipsi crs. ai unei perechi de omologi. Zigotii (celulele-ou) rezultati din fecundarea gametilor anormali vor fi la randul lor anormali. Datorita particularitatilor gametogenezei celor doua sexe, posibilitatea aparitiei unui zigot anormal in urma unui accident de distributie este mai mare in ovogeneza decat in spermatogeneza.

Procesul de diviziune meiotica este controlat genetic, are o ordonare in timp si spatiu si prezinta proprietati care diferentiaza cele doua sexe.