Genetika 2

Z 8.B8 wiki

Obsah 1 Genetický kód 2 Gen 3 Strukturní geny 4 Genetické pojmy 5 Transkripční jednotka 6 Přepis (transkripce) strukturních genů u eukaryot 7 Dědičnost kvalitativních znaků 8 Chromozomová determinace pohlaví 9 Mimojaderná dědičnost 10 Dědičnost plastidová 11 Chromozomy 12 Vazba vloh (genů) 13 Vazba vloh - neúplná 14 Stanovení síly vazby

Genetický kód

• genetický kód je způsob přiřazování jednotlivých aminokyselin ke kodonům (tripletům)
• je platný a stejný pro všechny organismy na naší planetě

Gen

• Morgan - definoval gen jako nejmenší rekombinační jednotku
• gen je základní jednotka genetické informace
• Johansen - 1909 - nosič dědičnosti
• gen můžeme považovat za nejmenší částečku chromoz. hmoty, která může být od jiných genů oddělena procesem crossing-over
• jako gen se označuje taková sekvence nukleotidů v DNA, která obsahuje genetickou informaci o sekvenci (pořadí) aminokyselin určitého polypeptidového řetězce
• na tělním chromosomu (autosomu) se nachází 1000-1500 genů
• nejmenší počet genů je na mužském pohlavním chromozomu (500 genů)
• dělení genů
  • geny velkého účinku - majorgeny - ovlivňují tvorbu znaků kvalitativních (barva duhovky, vlasů, tvar vlasů)
  • geny malého účinku - minorgeny - polygeny, ovlivňují tvorbu znaků kvantitativních (znaky metrické - výška, váha)
  • geny strukturní - obsahují genetickou informaci o primární struktuře určitého proteinu
    • patří sem geny, které kódují proteiny s funkcí stavební
    • tyto proteiny se stavební funkcí jsou základní součástí cytoskeletu buňky a bezibuněčných hmot (aktin, myosin, kolagen)
    • s funkcí fyziologickou
    • s funkcí biochemickou (enzymy, hormony, protilátky, buněčné receptory)
  • geny pro funkční RNA
    • transkripční produkty těchto genů nepodléhají translaci
    • geny, které kódují tRNA a rRNA (ribozonální RNA)
  • geny regulační
    • vytvářejí se podle nich proteiny (bílkoviny), které regulují expresi (přepis) strukturních genů
    • ovlivňují diferenciaci buněk
• charakteristika genů - Morganovy zákony
  • první Morganův zákon - geny jsou na chromozomech uspořádány lineárně za sebou a jejich umístění na daném chromozomu je neměnné
    • každý gen má na chromozomu své konkrétní místo - LOKUS
  • druhý Morganův zákon - všechny geny, které se nacházejí na stejném chromozomu jsou ve vazbě - vytvářejí vazebnou skupinu

Strukturní geny

• dva typy
• dvě části - jedna odpovídá za tvorbu určitého řetězce - EXON, druhá část se nazývá INTRON - nekóduje nic
• u eukaryot a archejí se exony a introny na chromosomu pravidelně střídají
• tyto složené geny podléhají sestřihu - tzn. že do mRNA se přepisují pouze kodující úseky - exony
• introny jsou z genu vystřiženy a zanikají v cytoplasmě
• exony se po vystřižení intronů enzymaticky spojí enzymem ligáza
• u prokaryot neexistují složené geny, jsou z nich přítomny jen geny jednoduché

Genetické pojmy

• gen
  • každý gen se vyskytuje v různých konkrétních formách - alelách
  • gen podmiňuje určitý znak (barvu květu), avšak jeho alela obsahuje "návod" k vytvoření určité podoby znaku
  • každý gen je podmíněn zpravidla oběma alelami
  • tyto alely se mohou vzájemně kombinovat
• homozygot - diploidní jedinec (2n - 46 chromozomů) - přítomna párová sestava funkčně shodných alel; dominantní, recesivní
• heterozygot - funkčně rozdílné alely
• dominance, recesivita
  • dominanční funkční nadřazenost jedné alely nad alelou druhou
  • recesivní funkční podřazenost jedné alely pod druhou
• P - parentes
• x - křížení
• F1 - filius (syn), F2
• velikost genu
  • udává se počtem jednotlivých nukleotidových párů na DNA
  • gen je tvořen několika tisíci až několika miliony párů nukl.
• umístění genu
  • na DNA v určitém pořadí, které je neměnné a jsou umístěny lineárně za sebou
  • každý gen má na chromozomu své místo - LOKUS - první Morganův zákon
• druhý Morganův zákon
  • geny umístěné na jednom chromozomu tvoří vazebnou skupinu (jsou ve vazbě)
  • tyto skupiny genů musí být z volné kombinovatelnosti vyloučeny, mohou se však kombinovat s jinými skupinami genů, které leží na jiných chromozomech
  • genetikové předpokládají, že se na každém chromozomu vyskytuje 1000-1500 genů
  • vyjímku tvoří pouze mužský pohlavní chromozom Y, který obsahuje nejméně genů (500)
• kodominance - rovnovážný stav dvou alel
  • v tomto případě (krevní skupiny) je gen vyjádřen třemi alelami AB = I^A, I^B - kodominance

Transkripční jednotka

• operon
• týká se strukturních genů
• strukturní geny jsou u DNA virů, u prokaryot, archeí a u některých eukaryot lokalizovány na DNA po úsecích, kterým se říká transkripční jednotka
• každá jednotka začíná startovacím nukleotidem, po něm následuje vedoucí sekvence (tvořena čtyřmi nukleotidy - TCCT), po ní následují tři strukturní geny (A, B, C) - jednotka končí terminátorem
• před startovacím nukleotidem leží regulační geny - 2 - operátor (operační gen), promotor
• (obr 1.)
• vedoucí sekvence - schineova-dalgarova sekvence
  • pomocí této sekvence se mRNA váže k ribozomu
• operátor - regulační oblast, na kterou se váže bílkovina represor
  • represor je ovlivňován dalšími dvěma proteiny - induktor a korepresor
• promotor - je regulační gen, na který se váže enzym RNA polymeráza
  • RNA polymeráza katalyzuje syntézu fosfodiesterových vazeb mezi jednotlivými nukleotidy
• transkripční jednotka umístěná na DNA je překládána do molekuly mRNA, od startovacího nukleotidu po terminátor
• regulační geny (operátor, promotor, terminátor) - jsou geny, jejichž primární funkce je řízení rychlosti syntézy produktů jiných genů (strukturních)
• regulační gen zahajuje i zastavuje přepis transkripční jednotky do molekuly mRNA a to v závislosti na přítomnosti dvou proteinů

Přepis (transkripce) strukturních genů u eukaryot

• včetně člověka
• k transkripci (přepisu) strukturních genů u eukaryot dochází v buněčném jádru
• nasyntetizovaná mRNA opouští buněčné jádro přes buněčné páry a vniká do cytoplazmy buňky, zde se připojuje k ribozomu
• mRNA před opuštěním buněčného jádra podléhá tzv. sestřihu, tzn. že z molekuly mRNA - primární transkript jsou vystřiženy nekodující úseky, které se ozvačují jako introny
• po sestřihu jsou upraveny oba konce mRNA
• po sestřihu mRNA následuje úprava 5konce a 3konce
• na 3konec se napojuje několik stovek adeninů - polyadenylace 3konce mRNA
• současně následuje i úprava 5konce, který se opatřuje tzv. čepičkou, která je tvořena guaninem, který je metylován
• úprava molekuly mRNA pravděpodobně stabilizuje molekulu mRNA a pomáhá ji při přesunu z buněčného jádra do cytoplasmy
• (obr 2.)
• u eukaryot (včetně člověka) jsou strukturní geny tvořeny
  • kódujícími sekvencemi (syntetiují bílkovinu - exony)
  • nekódujícími sekvencemi - introny
• při přepisu DNA do RNA nevzniká ihned mRNA, ale vzniká tzv. primárním transkript, což je heterogenní jaderná RNA
• tato RNA se skládá opět z exonů a intronů
• nekódující sekvence (introny) jsou následně z RNA vystřiženy pomocí enzymů endonukleázy
• po vystřižení se napojí exony a ligáza (enzym) je spojí - mRNA
• následně vzniká mRNA (jen exony) a její konce budou modifikovány - konec3 bude poatřen několika stovkami adeninu; poly-a-konec; konec5 bude opatřen čepičkou z guaninového nukleotidu
• hotová mRNA je transportována přes jaderné póry do cytoplazmy buňky, kde se připojuje k ribozomům a nastává syntéze bílkovin
• tyto dvě modifikace (čepička a poly-A-konec) pravděpodobně stabilizují molekulu RNA a pomáhají při jejím transportu z buněčného jádra do cytoplazmy

Dědičnost kvalitativních znaků

• znaků, které jsou podmíněny geny velkého účinku (majorgeny)
• příklady: barva peří, srsti, očí, schopnost pravák/levák
• dědičností kvalitativních znaků se zabýval už v 19. století Johann Gregor Mendel (*1822) - v Hynčicích na Moravě
  • 1865 - představil výsledky svých pokusů na zasedání přírodovědného spolku v Brně
  • Pokusy s rostlinnými hybridy - 1866 rozeslány do univerzitních knihoven Evropy
  • poté na 34 let dílo upadlo v zapomnění
  • 1900 - rok znovuobjevení Mendelových zákonů, kdy 3 biologové nezávisle na sobě objevili to co Mendel - Hugo de Vries, Carl Corens, Erich von Tschermak - přiznali Mendelovi prioritu
  • Mendel je pokládán za zakladatele klasické genetiky
  • objevil 3 základní zákony klasické genetiky
    • Zákon o identitě reciprokých křížení a stejnorodosti první filiální generace
    • Zákon o čistotě vloh a štěpení - zákon o segregaci vloh
    • Zákon volné kombinovatelnosti vloh různých alelových párů
• reciproká křížení
  • u reciprokých křížení dostaneme vždy stejný výsledek, ať křížíme samce plemene A se samicí plemene B nebo opačně
  • kříženci při reciprokých kříženích jsou uniformního vzhledu
• příklad 1. mendelova zákona
  • jedná se o úplnou formu dominance
• (obr 3.)
• 2. mendelův zákon
  • vzájemným křážením heterozygotů (Rr x rR) vzniká soubor potomků (jedinců), kteří jsou fenotypově i genotypově různorodí, přičemž poměrné zastoupení homozygotů a heterozygotů je v tomto potomstvu pravidelné a stálé
  • příklad monohybrida (jedinec lišící se v jednom znaku)
  • neúplná dominance - platí vztah R>=r
  • nestačí dominantní vloha (R) úplně potlačit účinek své recesivní partnerky (r)
  • všichni příslušníci F1 budou smíšeného neboli intermediálního vzhledu (vzhled mezi oběma rodiči)
  • napřáklad purpurová barva květu kejklířky zahradní je neúplně dominantní nad barvou žlutou
• (obr 4.)
• 3. mendelův zákon
  • zákon volné, nezávislé kombinovatelnosti vloh různých alelových párů
  • tento zákon se vztahuje na dihybridy a více násobné míšence
  • dihybrid je jedinec, který se liší ve dvou genotypově založených znacích
  • první znak je tvar semen hrachu (kulatý nebo hranatý)
  • druhý znak je barva semene hrachu - žlutá je úplně dominantní nad zelenou Ž > z
• (obr 5.)
• definice 3. mendelova zákona
  • každý gen z dvojice genů se může libovolně kombinovat s každým genem dvojice genů partnera
  • přitom u potomků mohou vzniknout všechny kombinace genů, tedy i takové, které nejsou u rodičů patrné
  • při vzájemném křížení ??heteroz??, které se liší ve více genech v párech, vzniká potomstvo, které je genotypově a fenotypově různorodé, v němž je však pravidelné a stálé poměrné zastoupení genotypů všech možných kombinací mezi rozdílnými alelami

Chromozomová determinace pohlaví

• které geny rozhodují o pohlaví
• samci 1,05 : samice 1,0
• (obr 6.)
• chromozomy X a Y se nazývají pohlavní chromozomy - heterochromozomy - gonosomy
• typy chromozomového určení pohlaví
  • typ ??drosophila??
    • vyskytuje se u některých zástupců hmyzu, želv, krokodýlů a u všech savců
    • všichni samci jsou heterogametní (X, Y), samice jsou homogametní (X, X)
  • typ ??abraksas??
    • u hmyzu (píďalka angreštová), ryb, ptáků
    • samice heterogametní a samci homogametní
  • typ ??protenor??
    • u samců některých druhů hmyzu (u kobylek a některých ploštic)
    • samice homogametní, samci pouze X, chybí Y
• vyjímky v poštu pohlavních chromozomů u člověka
  • může chybět nebo přebývat jeden pohlavní chromozom X nebo Y
  • vznikají pak choroby - syndromy
    • turnerův syndrom
      • postihuje ženy (mají jen jeden X) - mají 45 chromozomů
      • projevy - krátký krk, zakrnělé vaječníky, slabý vývin pubického ochlupení, prsou, silně postižen intelekt
    • klinefelterův syndrom
      • u mužů - mají o jeden pohlavní chromozom více - X,X,Y - 47 chromozomů
      • projevy - ??ennochoidní?? vzhled, zakrnělá varlata - neplodnost
    • superžena
      • X,X,X - 47 chromozomů
      • projevy: sníženáa inteligence, často špatná plodnost
    • supermuž
      • X,Y,Y - 47 chromozomů
      • projevy: prý zvýšená agresivita
    • intersex
      • ani samec ani samice, u postiženého jedince se vyvíjí nevyhraněný genitál
      • tělo je mozaikou buněk, z nichž některé XX a jiné XY

Mimojaderná dědičnost

• je dána geny, které jsou lokalizovány na chromozomu mitochondrií a plastidů
  • mitoch. DNA a plastid. DNA - jsou kruhové s poměrně malým počtem genů u člověka
  • mit. DNA (37 genů) x tělní (30000 - 40000 genů)
• přesto mutace některých mitoch. genů vedou k závažnému poškození org. člověka (nervového systému, srdce, pohybových aktivit) může být i epilepsie, pravděpodobně i Alzheimerova a Perkinsonova choroba
• spermie při vniknutí do vajíčka dodává pouze své buněčné jádro
• mitochondrie, plastidy - samčí spermie je nedodává, jsou před vstupem spermie do vajíčka degradovány
  • nový jedinec získává mit. a chlorop. pouze od matky
    • maternita - maternální dědičnost - je stav, kdy matka přenáší příslušný znak na všechny své potomky
• Leberova hereditární neuropatie optického nervu - dědí se po matce
  • pacienti s touto chorobou se rodí zcela nepostiženi, avšak mezi 12. - 13. rokem života postupně ztrácí zrak
  • rodokmen takovéto ženy
  • (obr 7.)

Dědičnost plastidová

• týká se chloroplastů a příčinou je P-DNA (plastid. DNA), která má kruhový tvar
• poškozené geny na plastidové DNA jsou příčinou ztráty chlorofylu v listech a vzniku tzv. panašovaných rostlin (část listu je bílá a část zelená)
• bílá část listu neobsahuje chlorofyl a nemůže v těchto místech probíhat fotosyntéza, což je pro rostlinu nepříznivý stav
• o vznik panašovaných rostlin se zasloužil člověk z důvodu vypěstování něčeho zajímavého (fíkus, blázen)
• (obr 8.)
• maternální dědičnost

Chromozomy

• pentlicovité útvary, které vznikají v eukaryotních buňkách mitózoou, neboli jaderným dělením
• soubor gromozomů buňky (jejich počet, tvar a velikost) se nazývá karyotyp
• každý chromozom je tvořen ze dvou částí
• (obr 9.)

Vazba vloh (genů)

• objevil William Bateson r. 1906
• dosud při aplikaci třetího Mendelova zákona jsme vycházeli z předpokladu, jakoby na každém chromozomu byla umístěna pouze jedna vloha (gen)
• ve skutečnosti se však na každém chromozomu vyskytuje velký počet genů, které jsou ve vazbě (tvoří vazebnou skupinu)
• počet vazebných skupin genů odpovídá počtu chromozomů v haploidní sadě (23)
• př. Batison pracoval s hrachorem vonným a zjistil, že u něj je purpurová barva květu úplně dominantní nad červenou
  • studoval tvar pylových zrn
  • (obr 10.)
  • neplatí zákon volné kombinovatelnosti
  • při zpětném křížení hybrida F1 s recesivním rodičem vzniká 7x více jedinců s genotypem rodičovského typu než rekombinovaného typu
• porovnání volné kombinovatelnosti a vazby vloh
  • (obr 11.)
  • hybrid produkuje pouze gamety rodičovského typu - úplná vazba vloh - hybrid F1 produkuje pouze gamety rodičovského typu AB, ab
  • úplně chybí gamety rekombinované (Ab,aB)
  • důvod: vzájemná blízkost genů, blízkost genů k centromeře

Vazba vloh - neúplná

• jev, při kterém hybrid F1 produkuje kromě gamet rodičovského typu (AB,ab) také gamety s genotypem rekombinovaným (Ab,bA)
• množství gamet rekombinovaných s tímto genotypem je však vždy nižší, než počet gamet rodičovského typu (0 - 50%)

Stanovení síly vazby

• stanovujeme zpětným křížením hybrida F1 s recesivním rodičem
• síla vazby se vypočítá dle vzorce p=(a2+a3)/(a1+a2+a3+a)
• p = morganovo číslo = 0,43 morganů = 43ccM .. vzdálenost dvou vloh
• 1eM odpovídá na chromozomu celkovému počtu 1 milionu párů bazí
• výpočet morganova čísla slouží k sestavování chromozom. map - tzn. chromoz. mapy nám ukazují, na kterém místě chormozomu geny leží a zároveň ukazují, jaká je vzdálenost mezi jednotlivými geny na chromozomu

obr. 1:

obr. 2:

obr. 3:

obr. 4:

obr. 5:

obr. 6:

obr. 7:

obr. 8:

obr. 9:

obr. 10:

obr. 11:

obr. 12: