Základy genetiky - Projekt EU
Základy genetiky - Projekt EU
Základy genetiky - Projekt EU
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
"Učení nás bude více bavit aneb moderní výuka oboru lesnictví prostřednictvím ICT ".<br />
Základy<br />
Genetiky
ROSTLINNÁ<br />
BUŇKA<br />
aaaaaaaa<br />
jádro<br />
mitochondrie<br />
chromatin<br />
(DNA)<br />
aaaaaaaa<br />
aaaaaaa<br />
aaaaaaaa<br />
aaaaaaaa<br />
plastid<br />
ribozómy<br />
aaaaaaaaa<br />
aaaaaaaa<br />
aaaaaaaa
Buňka<br />
Cell<br />
jádro<br />
jádro<br />
chromozómy<br />
ribozómy<br />
aaaaaaa<br />
aaaaaaa<br />
jádroe<br />
eeeeee<br />
mitochondrie<br />
aaaaaaa<br />
aaaaaaa
Chromozómy Chromosome<br />
Jádro<br />
Chromozóm<br />
Chromatidy<br />
Telomera<br />
Buňka<br />
Centromera<br />
Jaderné<br />
Telomera<br />
Nukleotidové báze<br />
Histony<br />
Nukl<br />
DNA<br />
(dvojšroubovice)
Chromozómy<br />
‣Vyskytují se v sadách<br />
‣Nejčastější jsou diploidní organismy s 2<br />
sadami, vyskytují se tedy v párech<br />
‣Gamety (pohlavní buňky) mají pouze 1 sadu
Základní počty chromozómů<br />
Rod / Druh<br />
Betula pendula 14<br />
Populus tremula 19<br />
Salix 19<br />
Picea abies 12<br />
Pinus silvestris 12<br />
Sequoia sempervirens 11<br />
Tilia 41<br />
Taxus 12
Karyotyp<br />
♀<br />
♂<br />
Karyotyp octomilky Drosophilla melanogaster<br />
Chromozómy jsou v párech, kromě pohlavních
Člověk<br />
Chromozómy v diploidních buňkách 2n<br />
Celkem 46 (2 sady po 23)<br />
22 párů autozómů (homologických chromozómů) a 1 pár<br />
gonozómů (pohlavních chromozómů)<br />
Samičí jsou homologické (XX)<br />
Samčí jsou nehomologické (XY)
Karyotyp - Člověk<br />
A<br />
A
Karyotypy - Larix<br />
Příbuzné druhy mohou mít podobné, i když poněkud odlišné<br />
chromozómy. Je možné studovat evoluci karyotypů
Lokus<br />
A lokus<br />
B lokus<br />
Od otce<br />
Od matky
DNA
Struktura DNA<br />
nosná kostra DNA<br />
homopolymerní řetězec cukr-fosfát<br />
Molekula DNA má tvar pravotočivé dvojšroubovice. Obě vlákna, skládající se z řetězce<br />
cukr (2-deoxyribóza) a fosfát a dále z připojených nukleotidových bází, jsou vzájemně<br />
komplementárně spojena vodíkovými můstky mezi párovými bázemi, a sice adenin (A) s<br />
thyminem (T) a guanin (G) s cytosinem (C). A a T jsou spojeny dvěma vodíkovými můstky,<br />
zatímco C a G třemi. Na 1 otáčku připadá cca 10 nukleotidových párů.<br />
Haploidní genom člověka obsahuje cca 3,000,000,000 párů bází, které jsou rozděleny mezi<br />
22 párů autozómů a 1 pár gonozómů.
Na 1 otáčku připadá cca 10<br />
nukleotidových párů<br />
Páry bází DNA
Organizmus<br />
a<br />
10 6 párů bází u haploidní sady<br />
(čísla orientační)<br />
Charakteristiky DNA<br />
Velikost<br />
genomu a<br />
Počet genů Kódující<br />
DNA %<br />
Escherichia coli 4,7 4000 100<br />
Saccharomyces<br />
cerevisiae (kvasinka)<br />
Nicotina tabaccum 7800<br />
Fritilaria davsii 295000<br />
12 6000 50<br />
Picea abies 30000 35000
Geny<br />
a<br />
Gen je možné definovat jako úsek DNA (sekvence nukleotidových bází, eventuelně<br />
tripletů), které po transkripci a translaci kódují syntézu specifického proteinu nebo RNA.<br />
Geny se skládají z:<br />
1) kódujících sekvencí (nazývají se exony)<br />
2) nekódujících sekvencí (introny)<br />
3) regulační části (promotor, místo počátku transkripce)<br />
4) koncových sekvencí<br />
Geny mohou mít různou délku (od cca 1000 až po několik set tisíc párů bází)
RNA<br />
v eukaryotních buňkách<br />
se vyskytuje RNA v<br />
několika formách:<br />
• mediátorová RNA<br />
• transferová RNA<br />
• ribozómová RNA
Proteosyntéza = exprese genů<br />
Proces, při kterém dochází k produkci proteinů<br />
na základě genetické informace uložené v DNA<br />
Je možné jej rozdělit do 2 dílčích částí:<br />
1) Transkripce<br />
Nejprve je přepsána informace z DNA do m-RNA. Jedno vlákno<br />
dvoušroubovice DNA je při transkripci využito jako šablona, podle které<br />
RNA-polymerázy (syntetizující enzymy) vytvářejí m-RNA. Tato m-RNA<br />
následně přechází z jádra do cytoplazmy. Přitom prochází různými<br />
úpravami včetně vystřihání nekódujících sekvencí (intronů) a následného<br />
spojení exonů. Kódující m-RNA může být popsána jednotkami 3<br />
nukleotidů, které se nazývají kodony (triplety).
DNA<br />
transkripce (přepis) matrice<br />
DNA do m-RNA<br />
vzniká primární transkript<br />
m-RNA, následně podléhá<br />
úpravám (zejména vystřihání<br />
nefunkčních intronů)<br />
přechází z jádra do<br />
cytoplazmy<br />
DNA
Kodony<br />
Kodon (triplet) = skupina tří<br />
sousedních nukleotidů na<br />
mediátorové (informační) RNA,<br />
které svým pořadím určují kvalitu<br />
AK a její polohu v peptidickém<br />
řetězci
tRNA<br />
Transferové tRNA jsou sestaveny z jednoduchého polynukleotidového<br />
řetězce, cca 80 nukleotidů<br />
Svým tvarem připomínají jetelový list<br />
Funkce tRNA je přenos jednotlivých aminokyselin, z nichž se polypeptidy<br />
skládají
2) Translace = překlad<br />
proces překladu genetické informace z jazyka nukleotidů<br />
(kodonů) do pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci<br />
Molekuly transferové t-RNA se svými antikodony (specifické sekvence 3<br />
nukleotidů) vážou na komplementární kodony na mRNA.<br />
Translace (syntéza proteinů) začíná v místě iniciačního kodónu AUG<br />
(tomu odpovídá tRNA nesoucí AK methionin) a dále pokračuje ve<br />
smyslu kodónů AK se k sobě vážou za vzniku polypeptidu<br />
probíhá na ribozómech, které se přitom postupně pohybují podél řetězce<br />
m-RNA (po jednotlivých kodónech)<br />
Ukončení translace je zakódováno v kodónech UAA, UGA a UAG –<br />
po dosažení této sekvence dojde k uvolnění vytvořeného polypeptidu
Amino<br />
acids<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
mRNA<br />
tRNA<br />
Trp<br />
ACC<br />
Amino<br />
acids<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
mRNA<br />
tRNA<br />
Trp<br />
ACC<br />
Amino<br />
acids<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
Phe<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
mRNA<br />
mRNA<br />
tRNA<br />
Trp<br />
ACC<br />
Trp<br />
Trp<br />
ACC<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
Trp<br />
ACC<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
Trp<br />
ACC<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
Phe<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
Trp<br />
ACC<br />
Trp<br />
Trp<br />
ACC<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
Trp<br />
ACC<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
Trp<br />
ACC<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
GCACUGUUCUGGCAGAG<br />
Phe<br />
Leu<br />
Ala<br />
AAG<br />
Trp<br />
ACC<br />
Trp<br />
Trp<br />
ACC
Exprese genů = Proteosyntéza
Řetězec aminokyselin
Genetický kód<br />
DNA přenáší informaci do<br />
m-RNA ve formě kódu<br />
definovaného sekvencemi<br />
nukleotidových bází.<br />
- ribozómy se pohybují podél molekuly m-RNA a čtou její sekvence po 3 nukleotidech najednou (kodon).<br />
- kodón na m-RNA se páruje s komplementárním antikodónem na t-RNA<br />
- každá AK je specifikována určitým kodónem (nebo více kodóny) na m-RNA<br />
- RNA je konstruována ze 4 nukleotidů, existuje 64 možných kodónů (4 3 )<br />
- tři z nich specifikují ukončení polypeptidového řetězce (nekódují AK), nazývají se STOP kodóny<br />
pak na 61 kodónů připadá 20 různých aminokyselin.
The Genetic Code 2<br />
A = adenin<br />
G = guanin<br />
C = cytosin<br />
T = thymin<br />
U = uracil<br />
Ala: Alanin Cys: Cystein Asp: Asparagová kys. Glu: Glutamová kys.<br />
Phe: Fenylalanin Gly: Glycin His: Histidin Ile: Isoleucin<br />
Lys: Lysin Leu: Leucin Met: Methionin Asn: Asparagin<br />
Pro: Prolin Gln: Glutamin Arg: Arginin Ser: Serin<br />
Thr: Threonin Val: Valin Trp: Tryptofan Tyr: Tyrosin
Vlastnosti genetického kódu<br />
Tripletový<br />
Základní jednotkou je trojice nukleotidů – triplet, kodón,<br />
která při translaci kóduje 1 AK (nebo ukončení translace)<br />
Nepřekrývající se<br />
Záleží na začátku čtení (tj. od kterého nukleotidu se začne,<br />
neboť jinak by se změnil smysl informace), výjimka: viry<br />
Univerzální<br />
Smysl čtení tripletů platí pro veškeré živé organizmy<br />
Nadbytečný<br />
Většina z 20 AK je kódována více než 1 tripletem, u<br />
různých organizmů a různých typů NK může triplet<br />
kódovat odlišné kyseliny
Buněčný cyklus<br />
Cyklická reprodukce buněk od jednoho dělení ke druhému,<br />
zahrnuje 5 fází (včetně G 0 – klidové):<br />
G 1 -fáze:<br />
Nastává po dokončení předešlého dělení a vzniku dceřiných<br />
buněk<br />
Probíhá syntéza RNA a proteinů, buňka v této fázi roste<br />
S-fáze (= syntetická)<br />
Probíhá replikace DNA, chromozómy jsou „zdvojeny“ <br />
vzniklé sesterské chromatidy jsou spojeny v místě centromery<br />
+ syntéza RNA a proteinů (zejména těch, které tvoří<br />
chromatin – histony) jako v G 1
G2-fáze<br />
Příprava pro vlastní dělení buňky<br />
pokračuje růst, intenzívně se tvoří RNA a proteiny<br />
M-fáze<br />
Vlastní dělení buňky na 2 geneticky identické dceřiné buňky<br />
Zahrnuje 4 fáze:<br />
‣ Profáze<br />
‣ Metafáze<br />
‣ Anafáze<br />
‣ Telofáze
Mitóza<br />
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa<br />
replikace DNA (S-fáze)<br />
homologické<br />
chromozómy<br />
sesterské chromatidy<br />
po replikaci<br />
aaaaaaa segregace<br />
chromozómů<br />
sesterské chromatidy<br />
se oddělí
Profáze<br />
‣ nastává kondenzace chromozómů<br />
‣ mizí jaderná membrána a jadérko<br />
‣ začíná se tvořit mitotické vřeténko<br />
‣ u pólů buňky se morfologicky zvýrazňuje část centrozómu<br />
v podobě 2 centriol
Metafáze<br />
‣ chromozómy jsou maximálně nahuštěné a uspořádané v<br />
rovníkové rovině<br />
‣ sesterské chromatidy jsou zřetelně oddělené, ale stále spojené v<br />
centromeře
Anafáze<br />
chromatidy (nyní již nové chromozómy) po rozdělení<br />
centromery putují k pólům<br />
pohyb je umožněn zkracováním fibril dělícího vřeténka
Telofáze<br />
‣ shlukování chromozómů u pólů<br />
‣ dekondenzace<br />
‣ tvorba jaderné membrány<br />
V rovníkové rovině se<br />
objevují mikrofibrily<br />
odškrcující nové buňky
Meióza<br />
aaaaaaaaaaaa<br />
Proces<br />
crossing over<br />
A<br />
homologické<br />
chromozómy<br />
sesterské<br />
chromatidyi<br />
AAAAA<br />
AAAAAAAAaaaaa<br />
aaa<br />
Oddělení<br />
homologických<br />
chromozómů I<br />
sesterské chromatidy<br />
nadále spojeny<br />
centromerou<br />
Oddělení<br />
homologických<br />
chromozómů II<br />
Gamety<br />
Gamety
Meióza<br />
Proces dělení jádra, při kterém se tvoří haploidní gamety<br />
Dělí se na 2 základní etapy:<br />
1) Heterotypické dělení (= redukční, meióza I)<br />
Profáze I – časově zaujímá 90%<br />
‣Leptotene<br />
chromozómy tvořící klubko začínají kondenzovat<br />
‣Zyotene<br />
homologické chromozómy se párují, vytvářejí bivalenty<br />
‣Pachytene<br />
nesesterské chromatidy spárovaných chromozómů se překřižují<br />
(= crossing over), tj. chromozómy si vymění části chromatid<br />
(= rekombinace)<br />
‣Diplotene, diakineze
Crossing over
Metafáze I<br />
chromozómy (zde páry nerozdělených bivalentů) se řadí<br />
v rovníkové rovině<br />
Anafáze I<br />
homologické chromozómy s vyměněnými nesesterskými<br />
chromatidami se NAHODILE rozchází k pólům (centriolám)<br />
Telofáze I<br />
vznikají 2 dceřiné buňky = gametofyty 2. řádu
2) Homeotypické dělení (meióza II)<br />
do značné míry podobné mitóze<br />
v anafázi II se sesterské chromatidy s rekombinovanými<br />
segmenty oddělí<br />
v telofázi II vznikají z gametofytů 2. řádu 2 dceřiné buňky =<br />
gamety (n)<br />
Výsledkem celé meiózy je VZNIK 4 HAPLOIDNÍCH<br />
GAMET z původní jedné zárodečné buňky
GENETICKÉ DŮSLEDKY MEIÓZY<br />
‣ počet možných kombinací chromozómů ve vzniklých<br />
gametách je 2 n (u rodu Pinus 4096)<br />
‣ kromě nahodilých kombinací navíc crossing over u<br />
nesesterských chromatid<br />
Výsledkem současného působení obou procesů je<br />
existence prakticky nekonečné genetické variability<br />
(žádní 2 jedinci nejsou u pohlavního rozmnožování<br />
identičtí – kromě monozygotických dvojčat)
Rodiče potomstsvo<br />
přesně polovina<br />
genetické výbavy<br />
od každého z rodičů<br />
průměrně jedna<br />
čtvrtina genetické<br />
výbavy od prarodičů,<br />
množství se může lišit
Oplodnění<br />
haploidní gamety<br />
diploidní zygota
Dědičnost na úrovni organizmu<br />
Zakladatel moderní nauky o dědičnosti byl Johann Gregor<br />
Mendel:<br />
‣ nejvhodnějším přístupem ke studiu dědičnosti a<br />
proměnlivosti znaků je analýza hybridologických experimentů<br />
(křížení)<br />
‣ pro studium základních genetických zákonitostí nejprve<br />
dědičnost kvalitativních znaků
Křížení = hybridizace<br />
vzájemné oplozování organizmů s různými genotypy,<br />
tj. generativní spojení 2 různých gamet<br />
písmenem P se označuje rodičovská generace (parentes)<br />
písmenem F (filius, filia) + indexy generace potomků<br />
vzniklých křížením (1., 2., 3., …. filiální generace)<br />
např. P: AA x aa<br />
F 1 : Aa<br />
F 2 : AA : 2 Aa : aa
Podvojné založení dědičnosti<br />
Znak je u diploida založen 2 formami genu – alelami (od otce<br />
a od matky), které jsou uloženy na příslušných lokusech<br />
homologních chromozómů, mohou být dominantní a recesivní<br />
Výjimka: dědičnost znaků vázaných na pohlaví<br />
A<br />
a<br />
A<br />
lokus<br />
B<br />
lokus<br />
Alely mohou být na homologických<br />
chromozómech:<br />
stejné kvality – homozygot v<br />
daném znaku<br />
různé kvality – heterozygot v<br />
daném znaku
Při studiu dědičnosti Mendel použil hrách setý (Pisum sativum)<br />
‣ je samosprašný<br />
‣ sledoval pouze alternativní znaky<br />
‣ křížil čisté linie, tj. homozygoty v<br />
daných znacích (7 znaků, např. tvar<br />
semen, barva květů)<br />
Dominantní homozygot<br />
Recesivní homozygot<br />
P: AA x aa<br />
F 1 : Aa<br />
F 2 : AA : 2Aa : aa
dominantní homozygot x<br />
recesivní homozygot<br />
P: AA x aa<br />
a<br />
a<br />
A Aa Aa<br />
A Aa Aa<br />
heterozygot x heterozygot<br />
P: Aa x Aa<br />
A a<br />
A AA Aa<br />
a Aa aa<br />
recesivní homozygot x<br />
heterozygot<br />
P: aa x Aa<br />
dominantní homozygot x<br />
heterozygot<br />
P: AA x Aa<br />
a a<br />
A Aa Aa<br />
a aa aa<br />
A<br />
A<br />
A a<br />
AA Aa<br />
AA Aa
Dihybridní křížení<br />
křížení ve 2 znacích zároveň<br />
P: AABB x aabb<br />
F1: AaBb<br />
F2:<br />
A žlutá semena<br />
a zelená semena<br />
B kulatá semena<br />
b hranatá semena<br />
♀\♂ AB Ab aB ab<br />
AB AABB AABb AaBB AaBb<br />
Ab AABb AAbb AaBb Aabb<br />
aB AaBB AaBb aaBB aaBb<br />
ab AaBb Aabb aaBb aabb
Dihybrid tvoří 16 zygotických kombinací, u kterých<br />
můžeme zjistit<br />
‣ 9 odlišných genotypů<br />
‣ 4 odlišné fenotypy
Mendelovy zákony<br />
Byly formulovány na základě uvedených pokusů<br />
‣ Pravidlo o uniformitě hybridů F 1 generace a identitě<br />
reciprokých křížení<br />
‣ Pravidlo o zákonitém štěpení v potomstvu hybridů F 2 –<br />
princip segregace<br />
‣ Pravidlo o volné (nezávislé) kombinovatelnosti vloh<br />
‣ Pravidlo o čistotě gamet
Podmínky platnosti Mendelových zákonů<br />
‣Jen pro monogenní znaky<br />
‣Jen pro úplnou dominanci alel<br />
‣Při úplné náhodnosti křížení<br />
‣Příslušné geny musí sídlit na autozómech, event. na<br />
homologických úsecích gonozómů
VZTAHY MEZI ALELAMI 1 GENU<br />
Úplná dominance<br />
dominantní alela svým účinkem převládá a stačí k<br />
úplnému projevu znaku (AA i Aa mají stejný<br />
fenotypový projev > aa)<br />
Neúplná dominance<br />
dominantní alela u heterozygota plně nepřekrývá<br />
svým účinkem alelu recesivní, na<br />
fenotypu se projeví obě nestejnou intenzitou<br />
AA > Aa > aa
Kodominance<br />
u heterozygota dominují obě alely společně, jejich produkty<br />
jsou na sobě nezávislé (ve fenotypu se projeví obě alely<br />
plným projevem)<br />
Superdominance<br />
znak u heterozygota je vyjádřen silněji než u obou<br />
homozygotů<br />
toto může být mnohdy výhodné, a sice díky přítomnosti<br />
obou alel AA < Aa > aa
GENOVÉ INTERAKCE<br />
jev, kdy 1 znak vzniká spolupůsobením 2 a více genů, a to<br />
umístěných na jednom chromozómu nebo na různých<br />
důsledkem genových interakcí je snížení počtu fenotypových<br />
tříd (dihybrid 9 : 3 : 3 : 1, zde např. pouze 15 : 1)<br />
Komplementární účinek<br />
patří mezi nejčastější interalelické interakce, k projevu znaku<br />
dojde tehdy, je-li přítomna alespoň 1 dominantní alela z každého<br />
z obou genů (u dihybrida 9 : 7)
Epistáze<br />
jev nadřazenosti jednoho genového páru nad druhým, jedná se<br />
o analogii dominance a recesivity v rámci 2 a více genů<br />
typickým znakem u rostlin i zvířat je zbarvení<br />
‣ dominantní<br />
dominantní alela A jednoho lokusu je nadřazena nad<br />
dominantní alelou druhého lokusu B,<br />
tzn. existuje-li alespoň 1 alela A (tedy u AA nebo Aa),<br />
pak dominantní alela D se NEMŮŽE PROJEVIT<br />
(12 : 3 : 1)
Pleiotropie<br />
jev, kdy se 1 gen (1 pár alel) podílí svým účinkem na realizaci<br />
několika znaků<br />
(např. opakované působení genu během ontogeneze)
Change language