GENETIKA vda o ddinosti a promnlivosti organismu Ddinost

GENETIKA = věda o dědičnosti a proměnlivosti organismu Dědičnost = schopnost rodičovských organismů předávat své vlastnosti v podobě VLOH svým potomkům - projevuje se při rozmnožování ● - umožní zachovat charakteristické vlastnosti organismů → pokračování biologického druhu Proměnlivost (Variabilita) = schopnost organismu měnit své vlastnosti - umožňuje adaptaci organismu na prostředí → vývoj druhu a) působením faktorů vnějšího prostředí – fyzikální, chemické, sociální …. b) genetické vlivy – výsledná kombinace genů rodičů ● a) nepohlavní = asexuální – KLONOVÁNÍ - nový jedinec vzniká z 1 původní (tělní) buňky nebo části tkáně - má znaky pouze 1 rodiče - nová generace = KLONY b) pohlavní = sexuální – KŘÍŽENÍ - HYBRIDIZACE - nový jedinec vzniká splynutím dvou pohlavních buněk = gamet - nová generace = POTOMSTVO 1

Molekulární základy dědičnosti -nositelky genetické informace = nukleové kyseliny DNA = deoxyribonukleová kyselina RNA = ribonukleová kyselina (u RNA virů) -nukleová kyselina (NK) – vysokomolekulární látka – zákl. stav. jednotka NUKLEOTID: a) sacharid (ribosa, deoxyribosa) b) dusíkaté báze c) zbytek H 3 PO 4 -purinové báze : adenin – A guanin - G -pirimidinové báze : thymin – T (u DNA) uracil – U (u RNA) cytosin – C 2

DNA = 2 řetězce (pentóza spojená přes H 3 PO 4) → pravotočivá šroubovice - řetězce spojeny přes báze vodíkovými můstky = komplementarita bází : A = T - 2 vodíkové můstky A = U ( RNA) C ≡ G -3 vodíkové můstky = má schopnost replikace = zdvojení (důležitý enzym DNA-polymeráza) - vlivem enzymů se přeruší H-můstky → matriční (2) vlákna = 2 vzory - k bázím se komplementárně z prostředí váží nové báze → nové (doplňkové) vlákno k matrici - k mateřské DNA vznikají 2 dceřinné DNA PŘENOS GENU - z mateřské buňky do dceřinné -zabezpečeno REPLIKACÍ DNA -repliky obsahují stejné geny jako výchozí molekula DNA EXPRESE GENU -vyjádření genetické informace (uložené v DNA) do fenotypového znaku organismu -uskutečňuje se ve dvou stupních : a)transkripce b)translace 3

RNA – stavba : a) ribóza b) báze A, U, C , G c) fosfát - lineární - jednovláknová - několik typů : r RNA = ribozomální – obsažena z 80 % v ribozómech (zbytek bílkoviny) m RNA = mediátorová – nese informaci o struktuře budoucích bílkovin - tvoří se v jádře podle DNA t RNA = transferová (transport AMK) Genetický kód: -uložení genetické informace -sekvence (pořadí) nukleotidů v makromolekule DNA -tvořen 3 bázemi : TRIPLET = KODON - každá AMK je kódovaná 1 tripletem - celkem 64 TRIPLETŮ 4 báze 3 – triplet báze -proteinogenních AMK je 20 – mohou být kódovány i více kodóny = degenerovaný kód (nadbytečný) -je univerzální = platí pro všechny organismy -nepřekrývá se = báze jdou lineárně za sebou 4

5

REPLIKACE = syntéza (tvorba kopie) DNA -probíhá v jádře buňky (v S- fázi buněčného cyklu) - dochází ke zdvojení původní DNA (matrix) a vznik 2 nových DNA (replik) -Dna se skládá ze dvou stejných vláken, které ale běží opačně → DNA polymeráza dokáže pracovat jen v 1 směru (5´ → 3´) -3 části: a) INICIACE : - na několika místech najednou dochází k rozplétání = iniciační očko - jsou zapotřebí speciální enzymy ( primer(krátká mlk. RNA) začíná replikace, helikáza –oddaluje původní řetězce……. ) - vznikne replikační vidlice ve tvaru Y - pokud se dvě vidlice potkají dojde k jejich splynutí b) ELONGACE : - enzym DNApolymeráza nasedne na rozpletené vlákno a komplementárně začne tvořit nový řetězec pouze ve směru 5´C - 3´C - každé ze dvou vláken je tedy tvořeno odlišně : a) jedno klasicky = kontinuálně (pracuje DNA polymeráza postupně) b) druhé (opačné) je tvořeno po úsecích tzv. OKAZAKIHO FRAGMENTY , ty se nakonec spojí pomocí enzymů -ligáz c) TERMINACE : replikace končí tehdy, když je zhotovená kopie celé DNA - existuje opravný systém – enzymy schopné vystřihnout chybný nukleotid - S. Ochoa a A. Kornberg roku 1959 Nobelovu cenu 6

7

TRANSKRIPCE (přepis) GENU -probíhá v jádře , popř. mitochondriích, plastidech -probíhá podle DNA -Postup: a) vlákno DNA se dočasně oddálí od sebe b) RNA polymeráza nasedne na začátek PROMOTOR a začne podle komplementarity syntetizovat řetězec m. RNA ( A-U a C-G ) také ve směru (5´ - 3´) c) syntetizovat se mohou i řetězce jiných typů RNA ( např. sn. RNA, r. RNA, t. RNA…. ) d) nová m. RNA obsahuje i nadbytečné části : INTRONY (nepotřebné, odstříhnuty) EXONY (funkční , spojeny do hotové m-RNA) c) m. RNA putuje k ribozómu PROTEOSYNTÉZA = SYNTÉZA BÍLKOVIN -vlastnosti bílkovin závisí na pořadí AMK v řetězci -pořadí AMK je dáno pořadím nukleotidů v řetězci -překlad = TRANSLACE genetické informace z m. RNA do bílkovin -probíhá v cytoplazmě na ribozomech : 1. m. RNA opustí jádro a naváže se na ribosóm (velká a malá podjednotka se zaklapne a posouvá se po m RNA) 2. k ribozómům přichází t-RNA nesoucí AMK ! Proteosyntézu zahajuje kodón (na m RNA) AUG = nese METHIONIN ! 3. t-RNA se řadí k m-RNA svým koncem, kde má doplňkový triplet = ANTIKODON na m. RNA (ta má KODON) - na druhém konci je AMK 4. AMK se spojí peptidickou vazbou = bílkovina 5. t. RNA se uvolní a může přenášet další AMK 6. Proteosyntézu končí = STOP KODON : UAA UAG UGA t RNA AMK 8

PROTEOSYNTÉZA 9

GEN -vloha -úsek DNA, která svým pořadím nukleotidů určuje pořadí aminokyselin v bílkovině -geny jsou umístěné lineárně za sebou na chromozomech -info o uložení určité vlastnosti organismu – lokus -geny na stejném chromozómu jsou ve vazbě -typy genů- strukturní : info pro syntézu 1 molekuly bílkoviny (1 gen – 1 bílkovina) (1 DNA – více genů) - regulátorové : řídí geny strukturní - geny pro RNA : kódují pořadí nukleotidů v t-RNA a r-RNA ALELA -konkrétní forma genu -v tělesné buňce je gen zastoupen 2 alelami (2 n) - 1 gen je od otce a 1 gen od matky -gamety nesou po 1 alele -alely označujeme malým nebo velkým písmenem (A, a, B, b ………. . ) GENOM -soubor všech genů v jádře –stačí jedné sady chromozómů (člověk=20488 genů) PLAZMON -soubor všech genů mimo jádro (v mitochondriích, v plastidech) GENOTYP -soubor genů v organismu týkajících se určitého znaku (soubor všech alel) 10

ZNAK -vlastnost organismu -realizací genové informace – EXPRESÍ GENŮ -1 gen – 1 znak -Typy: ● morfologický – tvar, rozměr ● funkční – schopnosti + jejich míra ● psychický – inteligence, temperament …. -kvantitativní – lze měřit různý stupeň znaku - výška, délka, hmotnost -kvalitativní – barva…, tvar semen , …… FENOTYP -soubor všech znaků jedince -vnější projev genotypu -uplatní se i vliv prostředí -všechny geny se nemusí projevit (Gt ≥ Ft) GENY VELKÉHO ÚČINKU -1 gen má velký fenotypový účinek -většinou kvalitativní znaky – podílí se na nich málo genů -malý vliv prostředí GENY MALÉHO ÚČINKU -1 gen má malý fenotypový účinek -kvantitativní znaky -celý soubor genů – polygenní systém -velký vliv prostředí 11

GENETIKA EUKARYOTICKÉ BUŇKY Jaderná DNA -každý druh organismu obsahuje v jádře konstantní počet a tvar chromozomů - KARYOTYP -každý gen má na chromozómu stálé místo –LOKUS -geny jsou uloženy lineárně za sebou, vzdálenost mezi se udává v MORGANECH -počet chromozómů: A)somatické buňky – diploidní 2 n – AUTOSOMY (chrom. mají stejný tvar, velikost, obsahují stejné geny, ale nemusí obsahovat stejné alely stejné kvality) - homologické chromozómy (1 od otce a 1 od matky) B)pohlavní buňky – haploidní n - GONOZOMY CHROMOZOM -pozorovaný v profázi či metafázi : a) 2 sesterské chromatidy (stejná sekvence genu) b) centroméra (zúžení, upnutí dělícího vřeténka CHROMATIN = histony + DNA vlákno - má několik úrovní struktury : nukleozóm (DNA + histon) solenoid (delší spiralizované vlákno) a)Heterochromatin : tvar chromozómu, protože je vysoce spiralizovaný a těžce se přepisuje (snadno se barví a pozoruje) b)Euchromatin : rozvolněný, proto je aktivní pro přepis (transkripci) (špatně barvitelný i pozorovatelný 12

jednovláknová DNA dvouvláknová DNA po replikace DNA (1 mlk. DNA) Různé úrovně DNA kondenzace: (1) DNA (2) DNA s histony) (3) chromatin během anafáze-telofáze- G 1 fáze (chromozóm má pouze jednu chromatidu) (4) chromatin během S (replikace DNA) – G 2 - profáze (dvě kopie DNA molekuly jsou nyní dar) (5) chromozóm během metafáze 13

MITÓZA: dceřinné buňky mají stejný genom jako mateřská MEIÓZA: homologické chromozómy se rozejdou do pohlavních buněk- SEGREGACE - nastává i crossing-over – REKOMBINACE VLOH DĚDIČNOST MNOHOBUNĚČNÉHO ORGANISMU -genotyp potomka je složen z alel, které mají rodiče, ale v jiné kombinaci -chromozomy: AUTOZOMY (tělní) GONOZOMY (pohlavní) DĚDIČNOST KVALITATIVNÍCH ZNAKŮ ZNAK = GEN + VLIV PROSTŘEDÍ - podmíněné 1 genem (genem velkého účinku) - monogenní znak - značení: alely pro tento znak se značí malým nebo velkým písmenem - gen je založen minimálně 2 alelami - např. AA, Aa, aa HOMOZYGOT - 2 stejné alely AA , aa HETEROZYGOT – 2 různé alely Aa 14

Vzájemné vztahy alel: 1) Úplná dominance a recesivita: 1 alela dominantní (A) úplně převládá nad druhou recesivní (a) 2) Neúplná dominannce a recesivita : uplatní se obě, ale nestejně 3) Intermediarita : uplatní se obě lely stejnou měrou Příklad: Barva květu: A-červená barva a-bílá barva 1) AA-červený květ aa-bílý květ Aa-červený květ 2) Aa-zvláštní červený květ 3) Aa-růžový květ Autozomální dědičnost -znaky určovány geny umístěnými na autozómech -není vázána na pohlaví MONOHYBRIDISMUS -při křížení sledujeme 1 gen -sledujeme vznik 1 znaku P = rodičovská generace (parentální) F 1= 1. generace potomků F 2= 2. generace potomků -ke zjištění genotypové kombinace v potomstvu = KOMBINAČNÍ ČTVEREC 15

Příklad 1: Příklad 2: P (2 dominantní homozygóti) AA x AA G A A F 1 AA AA P AA x aa GA A a a F 1 Aa Aa potomstvo stejné = uniformní potomstvo je uniformní (barvu bude mít podle vztahu alel) Příklad 3: P AA x Aa GAA A a F 1 AA Aa potomstvo není stejné, vyštěpení původních rodičovských forem v poměru 1 : 1 (50% AA, 50% Aa ) = štěpný poměr Příklad 4: P Aa x Aa G Aa Aa F 1 AA Aa Aa aa genotypový štěpný poměr 1 : 2 : 1 fenotypový štěpný poměr při úplné dominanci 3 : 1 16

ZPĚTNÉ KŘÍŽENÍ = křížení hybrida F 1 s jedním z rodičů -lze dokázat zda je znak u hybrida podmíněn homozygótně či heterozygótně (kříží se s P : aa=analytické zpětné křížení) Příklad: Pokusný objekt : je založen hrách setý s červeným květem homozygotně AA či heterozygotně Aa ? F 1 : AA (homozygotně) x P : aa G : A A a a potomci: Aa (100% červenokvětých) F 1 : Aa (heterozygotně) x P : aa G : A a aa potomci: Aa (50% červenokvětých) x aa (50%bělokvětých) 17

DIHYBRIDISMUS -křížení, při kterém sledujeme 2 znaky P : AABB x aabb G : AB ab F 1 : Aa. Bb x G: AB, Ab, a. B, ab F 2 : Aa. Bb AB, Ab, a. B, ab GENOTYP : 1: 2: 4: 2: 1 Fenotyp : 9 : 3 : 1 → 16 kombinací – 4 x homozygót = úhlopříčka homozygótů 12 x heterozygót - 4 x čistý heterozygót – úhlopříčka heterozygótů -Obecný štěpný poměr : 9 AB (žlutý) : 3 Ab (modrý) : 3 (hnědý)a. B : 1 (bílá)ab -2 jedinci opakují P generaci (AABB, aabb) -4 jedinci opakují F 1 generaci (Aa. Bb) -OBECNĚ PRO F 2 : n-stupeň hybridizace 2 n počet fenotypů 3 n počet genotypů 18

MENDLOVY ZÁKONY J. G. Mendel (1822 -1884) : - se narodil v Hynčicích na Moravě - prováděl pokusy s křížením rostlin -hrachu (opatem v klášteře) „Pokusy s rostlinnými hybridy“ psáno v němčině (1865, mat. jazyk) - jeho myšlenky nepochopeny - v r. 1900 stejné myšlenky formulovali 3 učenci 1. 2. 3. zákon: Zákon uniformity hybridů v F 1 generaci (týká se monohybridů) Jsou-li rodiče ve sledovaném znaku homozygotní jsou jejich potomci genotypicky i fenotypicky uniformní. Potomci dominantního a recesivního homozygota jsou všichni uniformní heterozygoti. Příklad: P: AA x aa G AA aa F 1 Aa zákon: Zákon nestejnorodosti F 2 generace (týká se monohybridů) Při křížení heterozygotů se v potomstvu vyštěpují znaky hybridních rodičů v charakteristickém poměru celých čísel. Příklad: F 1 : Aa x Aa G : Aa Aa F 2 : AA Aa a. A aa → 3 : 1 genotypový štěpný poměr 1 : 2 : 1 fenotypový štěpný poměr 3 : 1 zákon: Zákon volné kombinovatelnosti genů ( na více chromozómech) (týká se dihybridů) a) Při tvorbě gamet dochází k náhodné segregaci (oddělení) alel jednotlivých alelových párů b) Při segregaci alel do gamet se alely různých genů kombinují nezávisle na sobě 19

Při vzájemném křížení vícenásobných heterozygótních hybridů vznikne mezi alelami sledovaných genů tolik kombinací, kolik je teoreticky možných matematických kombinací. ! Tento zákon neplatí, jsou-li geny ve vazbě ! Příklad: pokus s hrachem P: AABB (hrách kulatý, zelený) G: AB F 1 : Aa. Bb G: AB, ab, Ab, a. B F 2 : Mendlův kombinační čtverec x aabb (hrách svraštělý, žlutý) ab V F 2 generaci tzv. šlechtitelské novinky = jedinec, který je homozygot, ale došlo u něj k nové kombinaci znaků, které neměly rodiče Počet genotypů: 3 n (2 znaky) = 9 Počet fenotypů: 2 n = 4 20

Dědičnost krevních skupin: -vyjímka: pro krevní skupiny existují 3 alely (A, B –dom. a O-reces. ) (místo dvou ) = KODOMINANCE -na membráně červených krvinek jsou antigeny = aglutinogeny ( A, B) -v krevní plazmě jsou protilátky = aglutininy (anti A, anti B) sk. A sk. B sk. AB sk. 0 aglutinogen A B A, B - aglutinin anti. B anti. A, anti. B -dědičnost = KODOMINANCE : projevuje se u heterozygota (Aa), kdy se obě alely projevují rovnocenně, nezávisle na sobě, neovlivňují se Fenotyp - krevní skupina A - Genotyp AA nebo A 0 Fenotyp - krevní skupina B - Genotyp BB nebo B 0 Fenotyp - krevní skupina AB - Genotyp AB Fenotyp - krevní skupina 0 - Genotyp 00 Dědičnost krevních skupin MatkaOtec 0 A B AB 0 0 0, A 0, B A 0, A, B, AB B 0, A, B, AB 0, B A, B, AB AB A, B, AB 21

Vazba genů -geny na jednom chromozómu se dělí společně -takové geny jsou neseny párem homologických chromozómů -uspořádání genů: cis – 1. chromozóm nese dominantní alely A, B 2. chromozóm nese recesivní alely a, b trans - 1. chromozóm má A, b 2. chromozóm má a, B -kombinace genů je umožněna pomocí crossing –overu -čím jsou geny na chromozómu dále od sebe, tím je pravděpodobnost crossing overu vyšší= pravděpodobnost rekombinace = síla vazby geny jsou u sebe → ne c. o. = velká síla vazby = vazba úplná geny od sebe → c. o. = slabá síla vazby = vazba neúplná Síla vazby se značí pomocí MORGANOVA ČÍSLA p 2 (počet rekombinovaných gamet / celkem gamet) 22

23

24