GENETIKA ZNANOST O NASLJEIVANJU 1 GENETIKA ZNANOST O

GENETIKA – ZNANOST O NASLJEĐIVANJU

1. GENETIKA – ZNANOST O NASLJEĐIVANJU Od davnina su ljudi uočavali da se neka svojstva nasljeđuju 19. Stoljeće – začeci moderne genetike – Gregor Mendel križajući vrtni grašak pokušavao otkriti neke zakonitosti nasljeđivanja.

GENETIKA – ZNANOST O NASLJEĐIVANJU De Vries Correns Von Tschermak potvrdili Mendelove rezultate i na drugim vrstama Početkom 20. st počeo značajniji razvoj genetike. William Bateson – prvi upotrijebio naziv GENETIKA

GENETIKA – ZNANOST O NASLJEĐIVANJU Naslijeđivanje je prijenos svojstava iz jedne generacije u drugu tj. proces koji dovodi do sličnosti između roditelja i potomaka. Nasljedna tvar – zbroj materijalnih faktora naslijeđa za svako živo biće – skup gena, nosioca nasljednih svojstava.

GENETIKA – ZNANOST O NASLJEĐIVANJU Obilježja nasljedne tvari su: 1. Pohranjivanje informacija 2. Sposobnost udvostručenja 3. Stabilnost strukture 4. Mogućnost promjene Naslijedna osobina= naslijedna tvar + vanjski elementi okoliša

GENETIKA – ZNANOST O NASLJEĐIVANJU Različitost ili varijabilnost rezultat je unutarnjih, staničnih čimbenika i djelovanja okoliša.

2. NESPOLNO I SPOLNO RAZMNOŽAVANJE Nespolno razmnožavanje : Produkti su klonovi Mitoza – dioba tjelesnih (somatskih) stanica ; iz stanice majke nastaju dvije istovjetne stanice sa istim brojem kromosoma.

2. NESPOLNO I SPOLNO RAZMNOŽAVANJE Spolno razmnožavanje : Osigurava nasljednost i raznolikost potomstva – MEJOZA – nastanak spolnih stanica ; sastoji se od 1. i 2. mejotičke diobe. BIVALENT – nastaje u profazi 1. i dolazi do izmjene nesestrinskih kromatida homolognih kromosoma.

2. NESPOLNO I SPOLNO RAZMNOŽAVANJE CROSSINGOVER – izmjena genetičkog materijala dviju nesestrinskih kromatida očevih i majčinih kromosoma – pri čemu nastaju nove kombinacije gena odnosno svojstava. HIJAZME – mjesta izmjene gena – prekriženja nesestrinskih kromatida.

2. NESPOLNO I SPOLNO RAZMNOŽAVANJE Mejoza se sastoji od: 1. Mejoza I. – redukcijska dioba 2. Mejoza II. – ekvacijska dioba (mitoza) - Nastaju haploidni produkti (n) koji su genetički različiti (svaki spermij od 4 nastala ima drugačija svojstva zbog crossingovera tijekom mejoze).

2. NESPOLNO I SPOLNO RAZMNOŽAVANJE Životni ciklus je kombinacija haploidne (n) i diploidne (2 n) generacije za što su zaslužne mitoza i mejoza.

Zadaci : mitoza i mejoza 1. 2. 3. Zamislimo tri para homolognih kromosoma s označenim centromerima : A/a, B/b, C/c. Svaki se kromosom odvaja od svog homolognog para. Koliko različitih gameta može stvoriti ova jedinka? Koliko gametskih kromosomskih kombinacija može formirati vrtni grašak Pisum sativum L. , 2 n=14 ? Koliko vrsta gameta stvaraju jedinke slijedećih genotipova : a) AABBCc b) aa. Bb. Cc c) Aa. Bbcc. Dd d) AABb. Ccdd. Ee. Ff

Zadaci : mitoza i mejoza 4. Diploidan broj kromosoma konja je 2 n = 64, a magarca 2 n = 62. a) Koliko kromosoma će imati hibrid (mula), nastao križanjem mužjaka magarca i ženke konja? b) Koliki je maksimalni broj bivalenata koji se teoretski mogu formirati u profazi I. ? 5. Somatske stanice neke cvjetnjače imaju diploidan broj kromosoma, 2 n = 24. Koliko će navedenih struktura biti prisutno u naznačenim stadijima mitoze i mejoze? a) centromera u anafazi mitoze b) centromera u anafazi I. c) kromatida u metafazi I.

d) kromatida u anafazi mitoze e) kromosoma u anafazi mitoze f) kromosoma u metafazi I. g) kromosoma na kraju telofaze I. h) kromosoma u telofazi II.

MOLEKULARNA OSNOVA NASLJEĐIVANJA Geni – nosioci kodiranih informacija. Djelovanje gena ne mora se izraziti u svakoj generaciji potomaka (geni imaju određenu nezavisnost koja se ne poremećuje ili gubi prijenosom kroz potomstvo). Ø Humani genom čini oko 20 000 – 25 000 gena. Ø Geni su građeni od molekula DNA. Ø Geni se nalaze na kromosomima u linearnom poretku, jer time svaka kromatida nosi isti broj i vrstu gena. Ø LOKUS GENA – točan položaj gena na kromosomu. Ø Nukleinske kiseline su materijalna osnova nasljeđivanja i one grade gene.

MOLEKULARNA OSNOVA NASLJEĐIVANJA • Dušikove baze: 1. Purinske ( adenin i gvanin ) 2. Pirimidinske (citozin i timin ) • Polinukleotidni lanci su povezani vodikovim vezama između komplementarnih dušikovih baza. • Specifičnost u sparivanju baza: Uvijek se sparuje jedna purinska baza s jednom pirimidinskom : A – T (povezani s dvije vodikove veze) G – C (povezani s tri vodikove veze)

Ø DNA - čine ju 2 polinukleotidna lanca omotana oko zamišljene osi u dvolančanu zavojnicu. Ø Osnovna jedinica strukture molekule DNA je nukleotid. Ø Nukleotid čine : 1. šećer ( deoksiriboza)- C 5 H 10 O 4 2. fosfatna skupina 3. dušikova baza ( A – T, C – G) Ø RNA - građena od jednog polinukleotidnog lanca Dijelovi RNA nukleotida : 1. šećer (riboza) – C 5 H 10 O 5 2. fosfatna skupina 3. dušikova baza ( A – U, C – G)

Znanstvenici i DNA 1870. Fridrich Miescher – prvi izolirao DNA iz jezgara leukocita i spermija lososa. 1928. Griffith – DNA je nositeljica genetičke informacije Rosalind Franklin uporabom x – zraka istraživala oblik molekule DNA. 1953. James Watson i Francis Crick otkrili strukturu DNA (izgradili laboratorijski model) – 1962. dobili Nobelovu nagradu za to otkriće.

UDVOSTRUČAVANJE ILI REPLIKACIJA DNA • Replikacija se događa tijekom S – faze interfaze. • Tijekom replikacije svaka se molekula DNA odvija (zbog pucanja vodikovih veza), tako da se njezini lanci razdvajaju. • Oba lanca pomoću enzima DNA polimeraze stvaraju svoje komplementarne preslike. • Nastaju dvije nove molekule DNA, a svaka je sastavljena od jednog starog i jednog novog lanca – SEMIKONZERVATIVNA REPLIKACIJA.

GRAĐA KROMOSOMA • Razlika u građi prokariotskog kromosoma i eukariotskog kromosoma. Ø Prokarioti – kružna dvolančana molekula DNA Ø Eukarioti – DNA podjeljena u kromosome pomoću histona (bazične bjelančevine) i nehistonskih neutralnih molekula koje zajedno čine KROMATIN ili NUKLEOPROTEIN.

GRAĐA KROMOSOMA Ø Osnovna jedinica kromatina je NUKLEOSOM – dvolančana molekula DNA omotana oko 8 molekula histona. Ø GEN – dio molekule DNA ili redoslijed nukleotidnih parova duž molekule DNA koji nosi informaciju za protein ili molekulu RNA. Ø Kromosomi – vozila za prijenos gena tjekom st. diobe. Ø Kod eukariota : EKSONI INTRONI Eksoni – dijelovi gena koji nose informaciju za neki produkt. Introni – dijelovi gena koji ne nose nikakvu informaciju. Kod prokariota nema eksona i introna. Ø Kromosomi su najbolje spiralizirani u metafazi!

• Nasljedna tvar je pohranjena u jezgri. • Jače obojena mjesta na jezgri su mjesta gdje se • • • koncentrirao KROMATIN. Razlika između kromatina i kromosoma je stupanj spiralizacije. Od kromatina se u profazi formiraju kromosomi. Jezgra se tada ne vidi jer je razgrađena – sastoji se od DNA, RNA i proteina. CENTROMER – mjesto slabijeg bojanja kromosoma, tu se preklapaju sestrinske kromatide. Na centromeru su smješteni kinetohori iz kojih izlaze kinetohorne niti kojima se kromosomi vežu za niti diobenog vretena.

• NUKLEOSOM – proteinska kuglica oko koje je dva puta omotana DNA • Kromatida – promjer 700 nm • Kromosom – promjer 1400 nm – u trenutku kad su kromosomi maksimalno zadebljali građeni su od 2 kromatide tj. od 2 molekule DNA. • Prosječan gen – dužina obuhvaća oko 50 nukleosoma ima oko 3000 nukleotida 1 gen = 1 bjelančevina Prosječna bjelančevina – oko 1000 aminokiselina.

Zadaci iz molekularne osnove nasljeđivanja 1. Dopuni navedeni fragment DNA odgovarajućim bazama i prikaži njezinu replikaciju. 5´ C C A T G T T A G G G C A 3´ G G T_________

2. Na prikazanom lancu DNA konstruiraj komplementarni lanac DNA. 3´. . . T A C C G A G T A C T T G A. . 5´

Od gena do bjelančevina • Kako se ostvaruje nasljedna uputa? BJELANČEVINE – organske molekule građene od aminokiselina međusobno povezanih peptidnom vezom. • 20 različitih esencijalnih aminokiselina. • Gen je određeni slijed nukleotida u molekuli DNA u tom nizu nukleotida sadržana informacija o slijedu aminokiselina informacija o strukturi bjelančevina.

• - U DNA imamo 4 tipa nukleotida: deoksiadenilat (d. AMP) deoksigvanilat (d. GMP) deoksitimidilat (d. TMP) deoksicitidilat (d. CMP) Kombinacija od tri nukleotida ili triplet nukleotidnih baza je najmanja jedinica koja nosi informaciju, odnosno kodira za jednu aminokiselinu. Genetička poruka za polipeptidni lanac zapisana je u molekuli DNA kao niz od 3 nukleotida (triplet) koje nazivamo GENETIČKIM KODOM.

Ø Genetički kod je univerzalan i jednak je za sve žive organizme (od bakterije do čovjeka). 43 = 64 C, T, A, G kombinacije triplet Kako nama treba samo 20 aminokiselina, više kodova određuje istu aminokiselinu. RNA je poveznica genetičke informacije koja se nalazi u DNA i sinteze bjelančevina.

Razlike između DNA i RNA: 1. RNA je jednolančana molekula, iako se može slagati i namatati u složene oblike gdje se mogu naći i dvolančana područja 2. Šećer u RNA je riboza, na 2 C atomu ima hidroksilnu skupinu, dok je kod DNA šećer deoksiriboza 3. Umjesto baze timin dolazi uracil

RNA • U stanici nalazimo 3 vrste RNA: 1. m RNA – glasnička ili ˝messenger˝ 2. t RNA – prijenosna ili transportna 3. r RNA - ribosomska m RNA : prenosi genetičku informaciju iz jezgre u citoplazmu (prepisivanje ili transkripcija – proces sinteze m. RNA na jednom polinukleotidnom lancu – kalupu DNA).

• m RNA se sintetizira pomoću RNA polimeraze. • m RNA je komplementarna lancu kalupu DNA na kojem nastaje • Nosi informaciju u obliku tripleta baza koje nazivamo KODONIMA. • Kodoni na m. RNA su komplementarni kodovima na DNA. • Nakon transkripcije m RNA prolazi kroz pore na jezgrinoj membrani u citoplazmu do ribosoma gdje se zbiva sinteza bjelančevina.

t RNA : nalazi se u citoplazmi Ima ulogu prijenosnika aminokiseline do ribosoma, gdje se događa biosinteza bjelančevina. • Postoji najmanje 20 različitih t RNA, a sve su slične u osnovnoj strukturi • t RNA je jednolančana, a jedan jednolančani kraj molekule t. RNA sadrži triplet nukleotida koje nazivamo antikodonom.

r. RNA: • Sastavni je dio ribosoma • Ribosomi – stanične strukture s pomoću kojih se obavlja sinteza bjelančevina. • Čine ih mala i velika podjedinica koje su građene od bjelančevina i r. RNA • Centralna dogma molekularne biologije: transkripcija DNA translacija RNA PROTEIN

Kako geni upravljaju životnim procesima? - ENZIMI su biokatalizatori - Enzimi pomažu u spajanju nukleotida, Izvršenje gena ovisi o izmjeni tvari u stanici, a posebno o enzimima. - vežu AK na t. RNA i vežu AK u bjelančevine (polipeptide). - Enzimi omogućuju replikaciju DNA i sintezu RNA molekula.

Sustav operona i geni katalizatori OPERON – skupina aktivnih gena koji djeluju zajednički. Na rad operona djeluju geni regulatori i neke tvari u stanici, kao represori. Usporeni geni: Važan činilac koji utječe na gene je vrijeme. Geni su različito aktivni u određenim razdobljima života (spolna aktivnost, boja očiju, naslijedne bolesti)

REGULACIJA AKTIVNOSTI GENA • Sve stanice visoko specijaliziranog organizma porijeklom su od jedne stanice – zigote. • Stanice jednod složenog organizma NISU jednake, iako imaju jednak broj kromosoma i genetički su istovjetne. • Stanice su se diferencirale, tj. specijalizirale za točno određene funkcije. • Stanice se razlikuju po sadržaju enzima i ostalih vrsta bjelančevina pa prema tome i po funkciji koju obavljaju.

DIFERENCIJA – proces nastajanja različitih staničnih tipova iz zigote, selektivnom aktivnošću gena. TOTIPOTENTNOST – svojstvo jezgre da zadrži embriogeni potencijal, iako se ona sama specijalizirala za neku funkciju. Ona sadrži svu potrebnu informaciju za razvoj novog organizma. Zaključak: Iako su sve tjelesne stanice genetički jednake, one se razlikuju u funkciji koja je posljedica aktivnosti različitih gena.

Vrste i uzroci varijabilnosti Varijabilnost ili promjenjivost – pojava nejednakosti 1. Kvalitativna (boja) ili alternativna oštra razlika među svojstvima 2. Kvantitativna (visina, težina, veličina) među njima postoji mnoštvo prijelaza (fluktuirajuća) Kvantitativne promjene nisu naslijedne Uzroci promjena: 1. Križanje – hibridizacija 2. Mutacije 3. Utjecaj okoliša

Posebni genetički skupovi: 1. ČISTE LINIJE – javljaju se kod biljaka, to je skup genetički vrlo sličnih jedinki koje nastaju samooplodnjom jednog roditeljskog organizma – nema varijabilnosti 2. KLON – skup genetički jednakih jedinki koje nastanu nespolno 3. POPULACIJA – skup genetički nejednakih jedinki koje žive na istom prostoru. Dolazi do miješanja gena unakrsnim oplođivanjem.

Sinteza hemoglobina Sve stanice čovjeka imaju gene za sintezu hemoglobina. Ti geni su aktivni samo u eritroblastima, stanicama koje nastaju iz matičnih stanica koštane srži. U eritroblastima ne nastaje hemoglobin nego samo m. RNA koja nastaje transkripcijom gena za hemoglobin. Eritroblasti se diferenciraju u eritrocite u kojima nastaje hemoglobin.

Genska regulacija Geni su aktivni u tkivima u kojima su potrebni njihovi produkti, a ako nema potrebe za sintezom određenih bjelančevina, geni se inaktiviraju. Jedan od najbolje proučenih primjera genske regulacije nalazimo kod bakterije Escherichia coli. E. coli može iskorištavati šećer laktozu iz hranjive podloge (na kojoj se bakterije uzgajaju) kao izvor energije pomoću enzima. Uputu za sintezu enzima nose tri strukturna gena bakterijske DNA (lac. Z, lac. Y, lac. A).

Ti geni kodiraju enzime za metabolizam laktoze, što uključuje transport laktoze u bakterijsku stanicu te cijepanje laktoze na glukozu i galaktozu. Regulaciju aktivnosti strukturnih gena obavlja gen regulator koji nosi uputu za sintezu represorske bjelančevine. Enzimi se sintetiziraju samo kad je laktoza prisutna u podlozi. Ako laktoze nema u podlozi, nema ni potrebe za sintezom enzima. U tom se slučaju represorska bjelančevina veže za DNA te tako inaktivira sve strukturne gene (nema transkripcije ni sinteze enzima).

Ako je laktoza prisutna u podlozi vezati će se za represorsku bjelančevinu – dolazi do inaktivacije represora, pa enzim RNA polimeraza započinje transkripciju strukturnih gena, što rezultira sintezom enzima za metabolizam laktoze. Regulacija aktivnosti gena u eukariota zbiva se na različitim razinama prijenosa nasljedne tvari: u jezgri na razini transkripcije, u citoplazmi na razini translacije.

MENDEL I ZAKONI NASLJEĐIVANJA - Križanje ili hibridizacija – mješanje gena ili naslijeđa dvaju različitih roditelja. Potomci koji pritom nastaju su KRIŽANCI ili HIBRIDI. - Oni imaju mješana svojstva. - Mendel provodio kontrolirano križanje. - Prije kontroliranog križanja morao je utvrditi da su biljke čista linija.

- P – parentalna ili roditeljska generacija - F 1, F 2 – filijalne generacije - Svojstvo koje prevladava je DOMINANTNO, a potisnuto svojstvo je RECESIVNO. - ALELI ili homologni geni – alternativna svojstva istog gena. AA – dominantni homozigot aa – recesivni homozigot Aa – heterozigot Multipli aleli – kodominantni – ako je više alela odgovorno za jedno svojstvo ( pr. Krvne grupe kod čovjeka).

Primjeri križanja i Mendelovi zakoni 1. Mendelov prvi zakon ili zakon razdvajanja (segregacije) Križaju se homozigotni purpurni cvijet i homozigotni bijeli cvijet. Aleli za purpurni cvijet : A Aleli za bijeli cvijet : a P: Gamete : F 1: AA x A A x aa a a Aa Aa

- Samooprašivanjem F 1 hibrida dobivamo: F 1: Aa x Aa Gamete: A a x A a F 2 : AA Aa Aa aa Fenotipski omjer - 3 : 1 Genotipski omjer - 1 : 2 : 1 FENOTIP – svaka morfološka osobina nekog organizma vidljiva okom. GENOTIP – genetička struktura jedinke, svi geni nekog organizma.

- Jedinke dominantnog fenotipa mogu biti - - - homozigoti (AA) ili heterozigoti (Aa). Ako ne znamo genotip roditelja jedinke dominantnog fenotipa, ne možemo znati ni genotip jedinke. Rješenje je TEST- križanje. To je križanje jedinke dominantnog fenotipa s jedinkom recesivnog fenotipa koja je homozigot za to svojstvo. Ako su svi potomci test križanja jednakog fenotipa, to znači da je roditelj dominantnog fenotipa homozigot (AA) za to svojstvo.

- Ako test križanjem nastanu dvije fenotipske klase potomaka u omjeru 1 : 1, to znači da je roditelj dominantnog fenotipa heterozigot (Aa). - POVRATNO KRIŽANJE – ako križamo potomke s jedinkom roditeljskog fenotipa.