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 (I^A  podmiňuje vznik aglutinogenu A,                       alela I^B podmiňuje vznik aglutinogenu  B, I⁰  žádný aglutinogen)

– alely I^A a I^B jsou navzájem kodominantní a vůči I⁰ dominantní:

A: homozygot I^AI^A nebo heterozygot I^AI⁰ – aglutinogen A

B:  I^BI^B nebo I^BI⁰ – aglutinogen B

AB:  I^AI^B – 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