If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Биология за напреднали/колеж

Курс: Биология за напреднали/колеж > Раздел 2

Урок 3: Генетика, различна от тази на Мендел
Наука
Биология за напреднали/колеж
Наследственост
Генетика, различна от тази на Мендел
© 2023 Khan AcademyУсловия за ползванеДекларация за поверителностПолитика за Бисквитки

Наследственост на митохондриална и хлоропластна ДНК

Класна стая на Google
Митохондриална и хлоропластна ДНК и защо нейното наследство не следва моделите на Мендел.

Въведение

Ако поискат от теб да назовеш органел, който съдържа ДНК, кой ще е той? Ако кажеш ядрото, определено ще получиш пълен брой точки, но в повечето клетки ядрото не е единственото място, където се съдържа ДНК.
ДНК се съдържа също и в митохондриите, които се срещат в повечето растителни и животински клетки, както и в хлоропластите в растителните клетки. Тук ще проучим как се унаследяват митохондриалната и хлоропластната ДНК.

Митохондриална и хлоропластова ДНК

ДНК молекулите, които се съдържат в митохондриите и хлоропластите, са малки и кръгови, много подобни на ДНК на типична бактерия. Обикновено има много копия ДНК в една митохондрия или хлоропласт.
Диаграма на еукариотна клетка, показваща местоположението на митохондриите (плаващи в цитозолата, извън ядрото и разделени от него), в която се фокусираме върху митохондриите, за да видим кръгообразните ДНК молекули в тях.
Изображение, модифицирано от "Митохондриална ДНК," NIH Talking Glossary of Genetic Terms, NHGRI (обществено достояние).
Сходството между ДНК на митохондриите и хлоропластите и ДНК на бактериите е важно доказателство, което подкрепя ендосимбионтната теория, според която митохондриите и хлоропластите в началото са били свободно живеещи прокариотни клетки.

Как се унаследява неядрената ДНК?

Ето някои начини, по които митохондриалната и хлоропластната ДНК се различават от ДНК, срещаща се в ядрото:
  • Голям брой копия. Една митохондрия или един хлоропласт съдържат множество копия от своята ДНК. В една типична клетка има много митохондрии (или в случая с растителната клетка – хлоропласти). В резултат на това клетките обикновено имат много копия – често хиляди – митохондриална и хлоропластна ДНК.
  • Случайна сегрегация. Митохондриите и хлоропластите (и гените, които те носят) се разпределят случайно към дъщерните клетки по време на митоза и мейоза. Когато клетката се дели, органелите, които са от противоположните страни на делителното вретено, или клетъчната плочка, ще се озоват в различни дъщерни клеткиcubed.
  • Унаследяване от един родител. Неядрената ДНК често се унаследява от единия родител, което означава, че потомството ще получи ДНК само от мъжкия или само от женския родител, не и от дваматаstart superscript, 4, end superscript. При хората, например, децата получават митохондриална ДНК от майка си (но не и от баща си).

Хлоропластова наследственост: Ранни експерименти

В началото на 20-ти век Карл Коренс, немски ботаник, направил поредица генетични експерименти с растения (Mirabilis jalapa). Сега знаем, че работата му демонстрирала как хлоропластната ДНК се предава от клетка на клетка и от родител на поколението – въпреки че самия Коренс не знаел това по онова времеstart superscript, 5, end superscript!

Експерименти на Коренс

Растенията Mirabilis, с които Коренс работил, имат три разновидности: чисто зелено, чисто бяло или вариегатно (смесено зелено и бяло). Зелени и бели разклонения може да се проявят при вариегатни растения, но вариегатни разклонения не се появяват при зелени или бели растенияstart superscript, 6, end superscript.
Коренс бил любопитен за тази особеност на оцветяването и направил многобройни кръстосвания между растения с различни цветове. Той открил, чеstart superscript, 6, end superscript:
  • Цветът на даващия яйцеклетка клон (женския родител) определял цвета на поколението.
  • Разклоненията от женския родител, които са изцяло зелени или изцяло бели, произвеждат съответно само изцяло зелено или изцяло бяло поколение.
  • Клоновете на женския родител, които били вариегатни по цвят, можели да произведат всички три типа поколение, но не и в предвидими съотношения.
Коренс допуснал, че някакъв фактор в цитоплазмата на яйцеклетката трябва да определя цвета на потомството. Всъщност друг немски ботаник, Ървим Баур, предположил, че хлоропластите в цитоплазмата може да пренасят генетичните фактори (гените)start superscript, 5, end superscript.
Баур сметнал, че при вариегатните растения някои от хлоропластите трябва да имат мутации, които ги правят неспособни да станат зелени (да произведат пигмент). Днес знаем, че тази хипотеза е напълно вярна!

Обясняване на резултатите на Коренс

Как хлоропластното унаследяване прави вариегатните растения разноцветни? Нека проследим една зигота (едноклетъчен ембрион) със смес от хлоропласти, унаследени от яйцеклетката. Някои от хлоропластите са зелени, докато други са бели. Когато зиготата преминава през много цикли на митоза, за да образува ембрион, а после растение, хлоропластите също се делят и се разпределят на случаен принцип към дъщерните клетки при всяко делене.
Изображение, показващо цитоплазмено разделяне на хлоропласти в растение, произхождащо от зигота със смес от бели (нефункционални, мутантни) хлоропласти и зелени (функционални, нормални) хлоропласти. След много митотични деления, при които хлоропластите се копират и се разпределят на случаен принцип, някои клетки ще имат само зелени хлоропласти, други ще имат само бели хлоропласти, а други пък ще продължат да имат смесица. Клетките само с бели хлоропласти ще породят чисти бели разклонения, а клетките само със зелени хлоропласти ще породят чисти зелени разклонения. Клетките със смесени хлоропласти ще породят разноцветни разклонения, при които продължаващо разделяне на хлоропласти на случаен принцип ще произведе бели сектори (потомство от клетки само с бели хлоропласти) и зелени сектори (потомство от клетки със смесени или само зелени хлоропласти). Зелените клетки, които съдържат смесица от хлоропласти, ще продължат да произвеждат на случаен принцип чисти бели и чисти зелени сектори, докато продължават да се делят.
Основано на подобна диаграма от Griffiths et al.start superscript, 7, end superscript.
След много клетъчни деления някои клетки получават чист набор нормални хлоропласти, изграждайки зелени части. Други ще получат чист набор нефункционални хлоропласти, изграждайки бели участъци. А трети ще имат смес от нормални и нефункционални хлоропласти, произвеждайки зелени участъци, които могат да дадат начало на чисто зелени или чисто бели участъциstart superscript, 7, end superscript.
Ами майчиният модел на унаследяване? Растенията създават полови клетки късно в развитието си, преобразувайки клетки на върха на клон в произвеждащи гамети клетки. Клон, който е чисто зелен, ще произведе яйцеклетки със зелени хлоропласти, които ще дадат начало на чисто зелено поколение. Подобно, клон, който е чисто бял, ще произведе яйцеклетки, които съдържат само бели хлоропласти, и ще даде начало на чисто бяло поколение.
Ако клонът е с различни цветове, той има смесица от клетки, някои само с функционални хлоропласти, някои само с нефункционални хлоропласти и някои със смес от хлоропласти. Всички три клетъчни вида може да дадат начало на яйцеклетки, водейки до зелено поколение, бяло поколение и разноцветно поколение в непрогнозируеми съотношенияstart superscript, 6, comma, 7, end superscript.
Женски клонЯйцеклеткиЗиготиПоколение
Разноцветен клонЯйцеклетка със зелени хлоропласти, яйцеклетка с бели хлоропласти или яйцеклетка със смесени хлоропластиЯйцеклетка с бели хлоропласти води до зигота с бели хлоропласти; яйцеклетка със зелени хлоропласти води до зигота със зелени хлоропласти; яйцеклетка със смесица от хлоропласти води до зигота със смесица от хлоропластиРастение с различни цветове
Основано на подобна диаграма от Griffiths et al.start superscript, 7, end superscript.

Митохондриална наследственост

Митохондриите, подобно на хлоропластите, по принцип се унаследяват само от единия родител (или поне се унаследяват неравно от двамата родителя)start superscript, 4, end superscript. В случая с човека митохондриите в зиготата, или едноклетъчния ембрион, идват от цитоплазмата на яйцеклетката, т.е. изцяло от майката. Сперматозоидите съдържат митохондрии, но те обикновено не се унаследяват от зиготата. Има докладван случай на бащино унаследяване на митохондрии при човек, но това е изключително рядкоstart superscript, 8, end superscript.
Сперматозоидите и яйцеклетката съдържат митохондрии и ядрена ДНК. Когато те се комбинират при оплождането, получената зигота ще съдържа ядрена ДНК и от двамата родители, но ще съдържа митохондрии (и следователно митохондриална ДНК) само от яйцеклетката.

Наследяване по майчина линия на митохондрии при хората

Понеже при хората митохондриите се унаследяват от майката, те представляват възможност да се проследи наследството по майчина линия (линия на потомство чрез ненарушена верига от женски предшественици).
За да разбереш как митохондриите ти те свързват с майката на майката на майка ти и така нататък, помисли откъде идват митохондриите. Те са били получени от майка ти в цитоплазмата на яйцеклетката, която ти е дала начало. Откъде майка ти е получила своите митохондрии? От нейната майка, тоест, твоята баба по майчина линияstart superscript, 9, end superscript.
Ако продължиш да задаваш този въпрос, можеш да се върнеш назад във времето по семейното си дърво, следвайки предшествениците си по майчина линия и следвайки пътя на предаване на митохондриалната ти ДНК.
Ядрената ДНК се наследява от всички предшественици. В течение на три поколения двойки предшественици имат деца, което води до един единствен съвременен човек, който съдържа ядрена ДНК от осем предшественика в поколението на прабабата и прадядото, четири предшественика в поколението на бабата и дядото, и два предшественика в поколението на родителите.
Митохондриалната ДНК се наследява от едно единствено родословие. В течение на три поколения двойки предшественици имат деца, водейки до един единствен съвременен човек, който съдържа ядрена ДНК от осем предшественика в поколението на прабабата и прадядото, четири предшественика в поколението на бабата и дядото, и два предшественика в поколението на родителите. Само една жена във всяко поколение е митохондриалният предшественик на съвременния човек: неговата майка (поколение на родителите), майката на майка му (поколение на бабата и дядото), и майката на майката на майка му (поколение на прабабата и прадядото).
_Изображение: "Сравнение на митохондриалната ДНК и ядрената ДНК," by University of California Museum of Paleontology (CC BY-SA 3.0)._
Както е показано на диаграмата по-горе, моделът на унаследяване на митохондриална ДНК е различен от този на ядрената ДНК. Ядрената ДНК на човек е "смесица" от участъци, унаследени от много различни предшественици, докато митохондриалната ДНК на човек се унаследява по една непрекъсната линия женски предшественициstart superscript, 9, comma, 10, end superscript.

Митохондриални мутации и човешки заболявания

Мутациите на митохондриалната ДНК могат да доведат до генетични заболявания у хората. Например големи делеции в митохондриалната ДНК причиняват състояние, наречено синдром на Кеарнс-Сайр. Тези делеции не позволяват на митохондриите да извършват работата си по извличане на енергия. Синдромът на Кеарнс-Сайр може да причини симптоми като слабост на мускулите, включително тези, които контролират клепача и движението на очите, както и дегенерация на ретината и развитие на сърдечно заболяванеstart superscript, 11, comma, 12, end superscript.
Генетичните заболявания, причинени от митохондриални мутации, не се предават от бащите на децата, понеже митохондриите биват предоставени само от майката. Те се предават от майките към децата по един от следните начиниstart superscript, 13, end superscript:
  • Човек със заболяване, причинено от митохондриална мутация, може да няма нормални митохондрии (и да има само анормални, мутирали такива). В този случай засегнатата майка винаги ще предаде мутирали митохондрии на децата си.
  • Митохондриалната разстройство може да се случи, когато човек има смес от нормални и анормални митохондрии в тялото си. В този случай нормални и мутирали митохондрии може случайно да се разпределят в яйцеклетките по време на мейоза. Деца, които получат голяма част мутирали митохондрии, може да имат тежко заболяване, докато тези с няколко мутирали митохондрии може да имат леко заболяване или да нямат таковаstart superscript, 13, end superscript.
Диаграма, показваща начини за наследяване на разстройства, причинени от мутации в митохондриалната ДНК.
Засегнат баща и незасегната майка произвеждат само незасегнати деца.
Незасегнат баща и засегната майка с еднакво анормални (носещи мутация) митохондрии произвеждат само засегнати деца (приемайки пълна пенетрантност на заболяването).
Незасегнат баща и засегната майка със смесица от анормални (носещи мутация) и нормални митохондрии могат да произведат деца със спектър от фенотипи – от незасегнати до леко засегнати и по-тежко засегнати. Тези различни фенотипи отразявят наследственост на разнообразни пропорции от нормални и анормални митохондрии.
Изображение, модифицирано от "Mitochondrial," by the National Institutes of Health (обществено достояние).

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила
Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.