Molekulární základy dědičnosti
ZÁKLADNÍ GENETICKÉ POJMY
genetika = věda o dědičnosti a proměnlivosti organismů
– souvisí s pohlavním rozmnožováním (asexuální rozmnožování je pouze pokračováním jedince pro genetiku nemá význam)
– dědičnost = schopnost udržovat soubor dědičných informací (genů) a předávat je z generace na generaci (umožňuje zachovat charakteristické vlastnosti organismů pokračování biologického druhu)
– proměnlivost = schopnost měnit geny (znaky) organismu vlivem vnějšího prostředí (umožňuje adaptaci organismu na určité prostředí vývoj biologického druhu)
(dědičnost a proměnlivost umožňují evoluci organismů na Zemi)
znak = jednotlivá vlastnost organismu (vznikne realizací genetické informace = expresí genu)
– všechny znaky jsou biochemicky podmíněné (enzymy)
– morfologicko-anatomický (tvar, rozměr)
– funkční = fyziologický (schopnost imunity)
– psychický (stupeň nadání, IQ)
– kvalitativní – tvoří několik značně rozdílných variant (barva očí, květu, krevní skupina)
– kvantitativní – u různých jedinců se neliší kvalitativně, ale kvantitativně mírou projevu – tvoří plynulou řadu variant (velikost, hmotnost, výška, intenzita zbarvení) – lze znázornit Gaussovou křivkou)
gen (vloha)
= hmotný předpoklad znaku (informace pro vytvoření určité vlastnosti organismu – znaku)
= úsek DNA nesoucí informaci pro vytvoření určité bílkoviny
(úsek DNA nesoucí jeden gen = lokus – určením lokusů jednotlivých genů vznikne chromoz. mapa)
– strukturní geny – podle nich se tvoří m-RNA skladba molekul bílkovin znaky organismu
– regulační – regulují proteosyntézu (podle nich vytvořené bílkoviny ovlivňují expresi strukturních genů, regulují aktivitu strukturních genů podle potřeb buňky (diferenciace buněk)
– ribonukleové – řídí syntézu r-RNA a t-RNA
genotyp = soubor genů organismu (všechny geny se nemusí navenek fenotypově projevit)
fenotyp = soubor všech pozorovatelných vlastností organismu, vytváří se na základě genotypu
– uplatňuje se i vliv prostředí (=> jedinci téhož genotypu mohou mít v různém prostředí různý fenotypový projev) a všechny geny se nemusí realizovat (diferenciace buněk)
genom = soubor genů buňky (u jednobuněčných organismů genotyp = genom)
– jaderný genom – DNA v jádře
– mimojaderný genom – DNA mitochon., plastidů, cytoplazmy, plazmidů (u prokaryot)
genofond = soubor všech genů v populaci
(populace = soubor všech jedinců stejného druhu na určitém místě v určitém čase)
alela = konkrétní forma genu (různé formy stejného genu)
– v tělních (somatických) buňkách -2n – gen reprezentován 2 alelami (1 od otce, 1 od matky)
– v pohlavních buňkách (gametách) – haploidní – 1 alela
– populaci nekonečné množství alel, ale v jednom organismu jsou přítomny jen 2 alely téhož genu
– označení alel: A – dominantní, a – recesivní
– stejné => jedinec je homozygot (dominantní – AA, recesivní – aa)
různé => heterozygot
(rozdílnost alel téhož genu je dána především odlišným pořadím a zastoupením nukleotidů v úseku molekuly DNA, alely se liší svou funkční aktivitou)
– projev genetických informací ve fenotypu závisí především na vztahu dominance a recesivity u alel téhož genového páru :
– u homozygota jsou obě alely daného páru vždy stejné – buď obě dominantní nebo recesivní =>
=> genotyp se ve fenotypu vždy projeví
– u heterozygota s jednou alelou dominantní a druhou recesivní existují následující vztahy :
– úplná dominance – dominantní alela úplně potlačí projev alely recesivní
– heterozygotní organismus má stejný fenotyp jako dominantní homozygot
– např. gen pro tvorbu barviva anthokyanu v buňce :
– dominantní alela A podmiňuje vznik anthokyanu => vzniká červené zbarvení
– recesivní alela a neumožňuje vznik barviva => bílé zbarvení
– AA – dominantní homozygot, Aa – heterozygot budou mít červené zbarvení
– aa – recesivní homozygot – bílé zbarvení
– neúplná dominance – dominan. alela nepotlačuje zcela projev alely recesivní – také se projeví
– např. alela A podmiňuje syntézu barviva, ale a tvorbu barviva neumožňuje
– homozygot AA – barvivo se tvoří => tmavě žlutá barva
aa – barvivo nevzniká => bílá barva
– heterozygot Aa – barvivo se tvoří, ale méně než u homozygota AA => světle žlutá
– intermediarita – zvláštní typ neúplné dominance – obě alely se projeví stejnou měrou
– kodominance – obě alely se u heterozygota uplatňují rovnocenným způsobem, neovlivňují se
– např. krevní skupiny
– gen určující krevní skupiny u člověka má 3 alely (IA podmiňuje vznik aglutinogenu A, alela IB podmiňuje vznik aglutinogenu B, I0 žádný aglutinogen)
– alely IA a IB jsou navzájem kodominantní a vůči I0 dominantní:
A: homozygot IAIA nebo heterozygot IAI0 – aglutinogen A
B: IBIB nebo IBI0 – aglutinogen B
AB: IAIB – aglutinogen A i B
0: I0I0 – žádný aglutinogen
gen velkého účinku gen malého účinku
– má velký fenotypový účinek – malý fenotypový účinek, proměnlivé vyjádření
– zodpovědný za kvalitativní znak – kvantitativní znaky
– na tvorbě znaku se podílí málo genů (často 1) – podílí se celý soubor genů = polygenní systém
– vnějším prostředím ovlivněn minimálně – velký vliv prostředí
– např. krevní skupiny – výška, stupeň IQ
MOLEKULÁRNÍ ZÁKLADY DĚDIČNOSTI
– základní pravidla dědičnosti objevil Johan Gregor Mendel (1822-1884)
– křížení dvou odrůd hrachu setého – navzájem se lišily v jednom znaku
– zakladatelé molekulární genetiky – Watson, Crick, Wilkins – 1853
Exprese genu (Centrální dogma molekulární biologie)
– bílkoviny – primární struktura – sekvence aminokyselin
– sekundární – -helix, skládaný list
– terciární – prostorové uspořádání sekun. struktury (díky vodík. a disulfid. vazbám)
– denaturace – změna prost. uspořádání => ztráta biolog. aktivity (teplota, UV, chemikálie)
GENETIKA BUNĚK
Genetika prokaryot
– hl. část genetické informace je uložena v nukleoidu = kruhová DNA – bakteriální chromozóm
– počet genů – několik tisíc (Escherichia Coli – 4 500, při natáhnutí délka asi 1,4 mm)
– chromozóm nemá histony
– haploidní počet – pouze jedna alela – musí se vždy projevit ve fenotypu – modelové genetické
organismy (u eukaryot 2 alely – dominantní může potlačit fenotypový projev recesivní alely)
– replikace DNA probíhá z jednoho místa a šíří se oběma směry (kruh zůstává uzavřený)
– plazmidy – mimojaderná doplňková genetická informace – přídavné kruhové molekuly DNA
– 2 – několik set genů (při natáhnutí až 0,5 – 0,7 um)
– replikace nezávisle na replikaci DNA, v buňce může být několik kopií
– obsahují geny zodpovědné za – resistence vůči antibiotikům, syntéza antibiotik, rozkládání organ. látek, vázání dusíku (nitrogenní bakterie)
– fertilní plazmidy – zajišťují sexuální procesy u bakterií (konjugaci)
– lze přechod do různých buněk (i eukar.), bakterie je může přijímat i ztrácet – gen. inženýrství
– přenos plazmidů => vývoj, evoluce prokaryot
regulace transkripce
– indukcí a represí (podle Jacoba, Monoda – 1961)
– operon = několik genů (úsek DNA), které spolu funkčně souvisejí (obvykle jsou zodpovědné za vytváření enzymů jedné metabolické dráhy)
1) promotor – počátek transkripce (sem se připojuje RNA-polymeráza)
2) operátor – v případě navázání represoru (určitá bílkovina která se tvoří podle regulačního genu) zabrání přepisu strukturních genů
3) strukturní geny – podle nich se tvoří m-RNA (zodpovídají za vytvoření některých enzymů)
4) terminátor – ukončení transkripce (odpojení RNA-polymerázy)
– negativní regulace – gen je zablokován represorem (bílkovina) navázaným na operátoru a
znemožňuje transkripci strukturních genů = represe
– uvolnění operátoru je možné působením induktoru na represor (induktor = substrát, který vyřadí z činnosti represor) => indukuje přepis strukturních genů = indukce
– pozitivní – gen je aktivní stále, jako represor = inhibitor působí konečný produkt metabolismu
Genetika eukaryot
– jaderná DNA
– genetická informace rozdělena do více chromozómů
– pro každý druh chromozómy charakteristické počet (počet, tvar, velikost a obsah genů)
– u člověka diploidní sada chromozómů – 46 (23 párů)
– soubor (počet a tvar) všech chromozómů v jádře = karyotyp
– chromozómy jsou viditelné v období meiózy – jindy hmota chromatid
– chromozóm -2 ramena = chromatidy, oblast zúžení = centromera – různé umístění
– haploidní – n – poloviční sada chromozómů – všechny pohlavní buňky – chromozómy se geneticky liší, netvoří homologní páry = heterologní chromozómy
– diploidní – 2n – tělní b. – tvoří páry – homologní chromozómy – nesou stejné geny (stejné nebo různé alely)
– triploidní, tetraploidní, …
– somatické chromozómy – autozomy – obsahují geny pro vlastnosti organismu mimo pohlaví
– značí se čísly
– tvoří homologní páry
– pohlavní chromozómy – gonozomy – určují pohlaví jedince, ale nesou i jiné geny
– značí se X a Y
– netvoří homologní páry – jsou heterologní
– každý gen má na chromozómu své místo = lokus
– vedle sebe vytváří geny na stejném chromozómu vazbové skupiny (vyjímečně se od sebe dostávají při crossing-overu – když jsou daleko od sebe)
– replikace DNA probíhá z mnoha iniciačních míst současně
– vnitřní proměnlivost genotypu je dána:
– segregace – rozchod chromozómů
– kombinace
– crossing–over – náhodné výměny částí chromatid homologických chromozómů
– mimojaderná DNA
– v plastidech (vznik endosymbiózou sinic)
– v mitochondriích (endosymbiózou bakterií)
– jako u prokaryot – kruhová DNA
CHROMOZÓMOVÉ URČENÍ POHLAVÍ
– uplatňuje se u organismů s odděleným samčím a samičím pohlavím
– založeno na existenci pohlavních chromozomů
– 2 typy pohl. chromozómů (gonozomů) – X, Y – pohlaví určeno jejich vzájemnou kombinací
– 2 typy určení pohlaví:
– savčí typ (typ Drozophila) – savci včetně člověka, někteří obojživelníci, plazi, většina hmyzu a řada dvoudomých rostlin
– pohlaví: XX (homogametní) – vajíčka pouze s chromozómem X
– pohlaví: XY (heterogametní) – spermie buď s chromozómem X nebo s Y v poměru 1 : 1
– při meotické tvorbě pohl. buněk všechny gamety obsahují shodný chromozóm X, ale v gametách je s 50% pravděpodobností přítomen buď X nebo Y
– při splynutí a pohl. b. – 50% pravděpod. vzniku zygoty XX (děvče) i zygoty XY (chlapec)
– ptačí typ (typ Abraxas) – ptáci, některé ryby a motýli
– pohlaví : ZW
– pohlaví: ZZ