Molekulární základy dědičnosti

Základní genetické pojmy
Gen (vloha)
informace pro utvoření určité vlastnosti organismů
nebo: úsek DNA n. RNA (u RNA-virů) se specifickou (určitou) funkcí
gen může být:
1. strukturní gen – úsek DNA n. RNA (RNA-viry) kóduje, tj. obsahuje informace o primární struktuře proteinu (je určena posloupností
AK v polypeptidickém řetězci – pořadím dusíkatých bází, ty určují AK!)
2. gen pro funkční RNA – úsek DNA transkribovaný, tj. přepisovaný do struktury tRNA, rRNA
3. gen jako regulační oblast – viz operónová teorie
Genotyp
soubor všech genů organismu bez ohledu na jejich umístění v buňce (jádro, buněčné organely)
označení konkrétního uspořádaného páru alel určitého genu ve shodných genových locích páru homologických
chromozomů  homozygotní a heterozygotní
př. genotyp AA, Aa, aa
Homozygot
o jedinec, jehož genotyp je ve sledovaném znaku tvořen
párem stejných alel
o alely jsou funkčně zcela shodné, jednu má od otce a
druhou od matky
o AA = dominantní homozygot aa = recesivní homozygot
Heterozygot
o jedinec, jehož genotyp je ve sledovaném znaku tvořen
párem rozdílných alel
o alely jsou funkčně různé, jednu má od otce a druhou od
matky
o Aa = heterozygot
Alela
konkrétní forma určitého genu
gen je pojem obecný, třeba jako pojem klobouk. Ten může mít různé formy (hnědý, dámský)  tak i gen může vystupovat
v různých formách – alelách
každý gen existuje ve formě nejméně 2 alel
v krajním případě je to alela plně funkční a alela zcela nefunkční – mezi těmito případy mohou ale existovat různě aktivní =
různě funkční alely
značení alel: velkými písmeny (A B C) – funkční – dominantní alely, malými písmeny (a b c) – nefunkční – recesivní alely,
většinou se jedná o počáteční písmeno anglického názvu vlastnosti
Znak
vlastnost organismu
kvalitativní
o jsou podmíněny malým počtem genů (často jedním); tyto geny mají velký fenotypový účinek (majorgeny); vliv
prostředí má malý význam
o př. gen určující krevní skupinu
kvantitativní
o jsou podmíněny velkým počtem genů (celý soubor genů = polygenní systém); každý má malý fenotypový účinek
(minorgeny); vliv prostředí má větší význam,
o př. geny pro tělesnou výšku člověka
Fenotyp
souhrn všech znaků a vlastností jedince, zevní vzhled organismu, výsledek interakce jeho genotypu a prostředí
Maturitní témata z biologie
i jako: projev jednotlivých genů (barva očí, krevní skupina, typ enzymu)
Dominance a recesivita = mezialelické vztahy
úplná dominance a recesivita: dominantní alela zcela
potlačí projev alel recesivních
o fenotyp homozygota AA je stejný jako
heterozygota Aa (a se neprojeví)
neúplná dominance a recesivita: dominantní alela
nepotlačuje zcela projev alely recesivní
o homozygot AA je fenotypově odlišný od
heterozygota Aa (a se částečně projeví)
o intermediarita: zvláštní typ neúplné dominance a recesivity, kdy se u heterozygota obě alely projeví ve fenotypu stejnou měrou
(půl na půl)
kodominance
o obě dominantní alely v heterozygotní
kombinaci se projeví v plné míře,
navzájem se ve svém projevu
neovlivňují
o př. krevní skupina AB
Dědičnost = heredita
schopnost organismů vytvářet potomky se
stejnými nebo podobnými znaky
Proměnlivost = variabilita
odlišnost jedinců jednoho druhu
působením faktorů vnějšího prostředí
(fyzikální, chemické, geografické)
genetické vlivy
Uložení, přenos a realizace genetické informace
1. DNA
v jádrech všech eukaryotických buněk, v cytoplazmě prokaryotických buněk
uchovává genetickou informaci
tvořena ze 3 částí:
o dusíkaté báze (T, C, A, G)
o cukr (2-deoxy-D-ribóza)
o fosfát
nukleotidy se spojují za vzniku polynukleotidových řetězců
dvoušroubovice – 2 řetězce spojené na základě principu komplementarity (báze tvoří vazby ve formě vodíkových
můstků  A-T (2 můstky); C-G (3 můstky))
syntéza DNA: replikace
o vzorová (= matriční) DNA  vlákna se v určitém místě rozpletou  k rozpleteným vláknům se dle principu
komplementarity vytvoří nové vlákno, které odpovídá původnímu  2 molekuly DNA – stejné jako původní
o v jádře, chloroplastech a v mitochondriích
o za přítomnosti DNA-polymerázy
o umožňuje úplnou genetickou výbavu
2. RNA
zajišťuje přenos genetické informace z DNA do struktury bílkovin
Systém AB0 je dán jedním genem, který má 3 možné alely:
IA – dominantní alela – řídí tvorbu aglutinogenu A (antigen A)
IB – dominantní alela – řídí tvorbu aglutinogenu B (antigen B)
i – recesivní alela – nevznikne žádný aglutinogen
někdy řešení paternitních sporů (potvrzení či vyvrácení otcovství)
genotypy IAIA IBIB; IBi0 IAIB i0i0
krev. skupiny A B AB 0
Pozn.: žena s krev. sk. 0 porodila dítě s AB, což výše popsaný model nemůže vystihnout
– vysvětluje to recesivní epistáze genu I s genem H (gen jehož proteinový produkt
slouží k uchycení aglutinogenů na membránu erytrocytů) – reces. alela h (proteinový
produkt nevzniká) potlačuje projev dominantních alel IA a IB (aglutinogeny se nemají
kam uchytit)
Maturitní témata z biologie
tvořena ze 3 částí:
o dusíkaté báze (A, G, C, U)
o cukr (D-ribóza)
o fosfát
většinou tvořena 1 vláknem (ale může být i 2vláknová – u někt. virů) (A-U; C-G)
o r-RNA – ribozomální (stavba ribozomu)
o t-RNA – transferová (přenáší AK)
o m-RNA – mediátorová (nese inf.)
kodón = triplet bází na m-RNA
antikodón = specifický triplet bází na t-RNA odpovídající urč. kodónu na principu komplementarity
syntéza RNA: transkripce
o vzorem nejčastěji DNA (u virů RNA)
o v jádře, v mitochondriích a v chloroplastech
o za přítomnosti RNA-polymerázy
o přepis DNA do jednovláknové molekuly RNA
proteosyntéza
o proces syntézy bílkovin probíhající na ribozomech
o materiálem jsou volné AK v cytoplazmě
o 2 fáze:
 transkripce = přepsání genetického kódu DNA do m-RNA (v buněčném jádře)
 translace = překlad kódu z pořadí nukleotidů v m-RNA do pořadí AK v polypeptidickém řetězci prostřednictvím
genetického
Dědičnost a pohlaví
Chromozomové určení pohlaví
a) savčí typ (Drosophila)
 je nejčastější: savci, krokodýli, želvy, většina hmyzu a u někt. dvoudomých rostlin
 samičí pohlaví XX (samičí gameta je vždy chromozom X
 samčí pohlaví XY (samičí gameta nese chromozom X nebo Y, šance 50:50)
 o pohlaví potomka rozhoduje samec
b) ptačí typ (Abraxas . píďalka angreštová)
 vyskytuje se u ptáků, většiny plazů, motýlů a některých ryb
 samice (XY=ZW), samec (XX=ZZ)
 o pohlaví potomka rozhoduje samice
Autozomální dědičnost
geny jsou uloženy na autozomech (nepohl. chromozomy –
těch má člověk 44), jejich projev nezávisí na pohlaví – tj.
výsledky recipročního křížení jsou stejné (- zůstanou
genotypy, ale prohodíme pohlaví  značky pohlaví se
nezapisují!!!)
AA(M) x aa(Ž) = AA(Ž) x aa (M)
Aa Aa
Gonozomální dědičnost
dědičnost vázaná na pohlaví
na rozdíl od autozomální dědičnosti výsledky recipročního
křížení nejsou stejné
gonozomální dědičnost se týká dědičných znaků, uložených
na gonosomech – tedy na pohlavních chromozómech
geny pro takto děděné znaky jsou lokalizovány na
heterochromozomech (X, Y))
heterochromozomy X a Y se shodují v malém úseku (část
Maturitní témata z biologie
homologní): zde umístěné geny se dědí podobně jako geny na autozomech
chromozom Y:
o je geneticky shodný (homologní) s X pouze svými konci (pseudoautozomální oblasti PAR)
o obsahuje pouze 78 genů – to je oproti ostatním chromozomům velmi málo a většina z nich je na chromozomu X  pohlaví tedy
ovlivňuje několik genů ležících mimo PAR  v heterologní části
př. Drosophila
na chromozómu X se nachází geny, které ovlivňují např.
o tvorbu pohlavních znaků
o metabolické děje
o funkci svalů
o zrakové schopnosti
o srážení krve
choroby, podmíněné mutacemi těchto genů se vyznačují pohlavně vázanou dědičností. nejčastější forma je recesivní
dědičnost.
u žen se recesivní znak většinou neprojeví, protože je kompenzován dominantní alelou na druhém chromozómu X. Postiženi
jsou téměř výhradně muži, protože na Y, kromě oblasti PAR, nemají dominantní alelu.
příklady chorob:
o syndrom fragilního chromozómu X: mentální retardace
o daltonismus: nejčastější forma barvosleposti, neschopnost rozlišit červenou a zelenou
hemofilie: dlouhé krvácení i z drobných ran
Regulace genů
regulace transkripce vyvolaná substrátem (induktorem) = negativní regulace
př. Laktózový operon na Escherichia coli
Maturitní témata z biologie
16. Mendelovy zákony dědičnosti. Mutace
Johan Gregor Mendel
opat v Brně, studium v Opavě
každý znak je určován dvojicí faktorů – jedním faktorem zděděným od otce a druhým od matky. Tyto faktory sice ovlivňují
daný znak společně, ale nemísí se spolu
mohou být od sebe odděleny a jednotlivě zase předány do další generace. Tak jako první prokázal hmotnou povahu genů.
výsledky křížení hrachu zpracoval statistickými metodami a tak odvodil nejpodstatnější zákonitosti přenosu genů
z generace na generaci, kterým dnes říkáme Mendelovy zákony
r. 1866 vydal o svých pozorováních práci: Versuche über Pflanzen-Hybriden (pokusy s rostl. kříženci)
v jeho době žádné ohlasy na jeho práci (za 40let v USA objevili něco podobného)
Autozomální dědičnost
Viz. předchozí otázka
Monohybridismus
Křížení 2 jedinců, při němž sledujeme dědičnost jednoho typu genu (znaku)
! ! Předpokládejme monohybridismus s úplnou dominancí ! !
a) Křížení 2 stejných homozygotů
P: AA x AA (genotyp rodičů)
Gamety: A A A A (genotyp gamet)
F1: AA AA AA AA (genotyp potomků)
P: generace rodičovská – parentální generace (parens – rodiče) (u Mendela AA, aa)
F1: 1. generace potomků = 1. filiální generace (filius – syn, filia – dcera) (u Mendela Aa)
o potomek může být 1 i více – nevíme !!!
b) Křížení 2 různých homozygotů
P: AA x aa
Gam.: A A a a
F1: Aa Aa Aa Aa
Potomstvo stejnorodé, fenotypově shodné s dominantním homozygotem
c) Křížení recesivního homozygota s heterozygotem
P: Aa x aa
Gam.: A a a a
F1: Aa Aa aa aa
Fenotypový štěpný poměr 1:1
Tato metoda se používá k rozlišení heterozygota od dominantního homozygota – tzv. metoda zpětného křížení (př. na
psech)
Maturitní témata z biologie
d) Křížení 2 heterozygotů
Kombinační čtverec
P: Aa x Aa
Gam.: A a A a
F1: AA Aa Aa aa
Genotypový štěpný poměr 1 AA : 2 Aa : 1aa
Fenotypový štěpný poměr 3 : 1
! ! Předpokládejme monohybridismus s neúplnou dominancí ! !
Křížení 2 heterozygotů
Aa x Aa
A a A a
AA Aa Aa aa
Genotypový štěpný poměr 1 AA : 2 Aa : 1 aa
Fenotypový štěpný poměr 1 : 2 : 1
Dihybridismus
křížení 2 jedinců, při němž sledujeme dědičnost dvou genů
př. A a B, např. gen pro barvu semene a gen pro tvar semene
1. Mendelův zákon
Zákon o jednotnosti 1. generace kříženců (F1): „Při křížení dvou homozygotů jsou všichni potomci F1 generace
uniformní – mají stejný genotyp i fenotyp.“
schéma stejné jako schéma b)
při křížení 2 homozygotů (dominant. AA a recesivní aa) vzniká jednotná generace potomků  homozygotů se stejným
genotypem (Aa) i fenotypem
2. Mendelův zákon
Zákon o segregaci (rozchodu) alel a jejich kombinaci ve druhé generaci kříženců (F2): „Při křížení dvou heterozygotů
se potomstvo vyštěpí (v důsledku segregace) v matematicky daném poměru“
stejné jako schéma d) (místo F1 je to F2)
3. Mendelův zákon
Zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel
když bychom rozepsali 1. a 2. MZ, dostali bychom 3. MZ
křížíme 2 dihybridy (AaBb) – každý vytváří 4 různé gamety (aB, Ab, aB, ab)
vzniká 16 kombinací – někt. kombinace se opakují, takže vzniká 9 různých genotypů
vytvoří se 4 různé fenotypy (dominantní (recesivní) v obou znacích, v 1. dominant a v 2. recesiv., v 1. recesiv. a v 2.
dominant.)
fenotypový štěpný poměr 9 : 3 : 3 : 1
zákon platí pouze v případě, že sledované geny (v našem případě gen zastoupený alelami A,a a gen zastoupený alelami B, b)
se nachází na různých chromozomech, nebo je jejich genová vazby natolik slabá, že nebrání jejich volné kombinovatelnosti
A a
A AA Aa
a Aa aa
Maturitní témata z biologie
P1 AABB x aabb
F1 AaBb
AaBb x AaBb
9 AB : 3 Ab : 3 aB : 1 ab (4 fenotypy)
Uvažujeme křížení 2 jedinců hrachu
Sledujeme 2 znaky: barvu semene a tvar semene  dihybridismus
Žlutá barva semene (A) je úplně dominant. nad zelenou (a) a kulatý tvar (B) nad svraštělým (b)
AAbb, aaBB = šlechtitelské novinky
Genová vazba
Pro geny ležící na jednom chromozomu (tomu říkáme, že je mezi nimi vazba) byly formulovány tzv. Morganovy zákony:
o „Geny ležící na jednom chromozomu tvoří vazbovou skupinu a přenášejí se společně.“
o „Počet vazbových skupin je roven počtu chromozomů (haploidní sady).“
Tato pravidla mohou být „narušena“ crossing-overem. Crossing-over je tím pravděpodobnější, čím leží sledované geny na
chromozomu dál od sebe.
Mutace
mutace jsou náhodné změny genotypu, dochází při nich ke změně struktury DNA, tj. ke změně genetické informace
rozlišujeme:
o spontánní mutace: vznikají bez jakéhokoliv vnějšího vlivu
o indukované mutace: vznikají působením mutagenů
 fyzikální mutageny: UV-záření, ionizující záření – rentgenové)
 chemické mutageny: způsobují deaminaci bází, např. polycyklické aromatické uhlovodíky (vznikají spalováním,
kouřením..), někt. org. rozpouštědla, léky, pesticidy (DDT), některé mutageny jsou užívány v genet. Laboratořích a ve
šlechtitelství (kys. dusitá, kolchicin..)
 biologické mutageny: viry
GENOVÉ MUTACE
změna pořadí nebo počtu nukleotidů v úseku DNA
a) ztráta nukleotidů (delece)
b) nukleotidy navíc (adice – inzerce)
 důsledky a, b: m. posunová, jsou začleňovány jiné kyseliny  jiná bílkovina  příklad: osvalení – delece genu pro myostatin
c) záměna nukleotidu (substituce)
d) záměna nukleotidu za jinou podobnou látku
 důsledky c, d: m. záměnová, změní se pouze 1 AK  změna bílkoviny minimální  příklad: srpkovitá anemie: rovníková
Afrika, vzniká defektní forma hemoglobinu, místo kys. glutamové se kóduje valin  rozpad erytrocytů  krevní sraženiny 
závažné až smrtelné komplikace
o tom, zda mutace ovlivní fci bílkoviny rozhoduje její rozsah a lokalizace.
genové mutace mohou také zasáhnout regulační geny – tyto mutace bývají jednou z příčin nádorového onemocnění
Maturitní témata z biologie
CHROMOZOMOVÉ MUTACE
zlomy a přestavby struktury chromozomu (strukturní aberace)
a) ztráta části chromozomu (delece)
b) zdvojení totožné části (duplikace)
c) převrácení části chromozomu (inverze)
d) přemístění části chromozomu na jiný (translokace): translokač. forma Downova syndromu – 21. chromozom se připojí
na 14. chromozom
e) rozpad chromozomu na více částí (fragmentace)
u člověka je 6% gamet s chromozomovými mutacemi
GENOMOVÉ MUTACE
mění se počet chromozomů v buňce
a) znásobení celé sady: polyploidie – častá u rostlin (pšenice), využití při šlechtění rostlin
b) změna počtu jednotliv. chromozomů v sadě (numerická aberace): aneuploidie, monosomie, trisomie …