Molekulární základy dědičnosti,
Molekulární základy dědičnosti,
základní genetické pojmy, Mendelovy
zákony
Chromozomy – struktura, funkce (Cytologické
základy dědičnosti)
• Barvitelná struktura
• Z DNA a histonů (bílkovina)
• Mají za úkol rovnoměrně rozdělit genetickou informaci
• Soubor všech chromozómů v jádře – karyotyp
• Pozorovatelné světelným mikroskopem při dělení
• Struktura nesoucí geny
• Všechny somatické buňky jednoho organismu by měly mít stejnou chromozomální
výbavu – ale můžou vznikat chiméry
• Chromatin – rozvolněný chromozom
• Heterochromatin – nahloučený – viditelný
• Euchromatin – metabolický aktivní – něco děla, není viditelný
• Homologní chromozomy – diploidní buňka má každý chromozom dvakrát – to jsou
homologní chormozomy
• Stavba
• Chromatin
• Histony
o 2 chromatidy – každá je jedna molekula DNA (= sesterské chromatidy)
o Spojení v centromeře
o Telomera – na konci chromatidy
o Komplex bílkoviny a nukleové kyseliny
o Základní jednotka je nukleozóm – histonové molekuly omotaná vláknem
nukleonové kyseliny
o Bílkovina
o Tvoří kostru pro molekulu genetické informace
o Podílí se na replikaci, ochrana, regulace replikace
o
Nukleové kyseliny – druhy, stavba, funkce
• Polymerní = vysokomolekulární látky
• Základní stavební látky jsou nukleotidy
• Nukleotid
o Dusíkatá báze – odvozena od dusíkatých heterocyklů
1
o pětiuhlíkatý cukr
o Zbytek kyseliny trihydrogenfosforečné
• Nukleosid – bez fosfátové skupiny
RNA
• Ribonukleonová kyselina
• Poslové syntézy bílkovin
• cukerná složka – ribóza
• Komplementarita bází
o Adenin – dva vodíkové můstky – uracil
o Cytosin – tři vodíkové můstky – guanin
• Obvykle jednovláknitá ale nemusí být
• Funkce
o Rozlišuje se podle funkcí do podtypů
o mRNA – mediátorová, vznik transkripcí DNA, přenáší genetickou informaci do
míste, kde dojde k translaci do proteinu
o rRNA – ribozomální, stavební funkce
o tRNA – transferová, přenáší aminokyseliny
o katalytická funkce, enzym – ribozym
• syntetizována enzymy RNA polymeráza – podle matrice DNA
DNA
• Funkce
• V eukaryotě
• V prokaryotě
o Nese genetickou informaci – udává vývoj a vlastnosti organismu
o Jádro – chromozomy
o Mitochondrie
o Chloroplasty
o Prokaryontní chromozom
o plazmidy
• Dvoušroubovice
• Cukerná složka – deoxyribóza
• Dusíkaté báze
o Purinové – adenin, guanin
o Pyrimidinové – cytosin, thymin
• Fosfátová složka
• Primární struktura
• Sekundární struktura
• Terciární struktura
o Určena pořadím bází
o Např.:5 ́-ATCGTCG-3 ́
o Vytvoření dvoušroubovice – spojení vodíkovými můstky mezi bázemi
o Chromozom – vidím pouze, když se buňka dělí
o DNA a histony
• V jádru se vyskytuje ve formě chromozomů
2
• V mitochondriích je cyklická
• Komplementarita bází
o Adenin – dva vodíkové můstky – thymin
o Cytosin – tři vodíkové můstky – guanin
Ústřední dogma molekulární biologie – přenos
genetické informace
• Pojem dogma zavedl Francis Crick – dostal za to Nobelovu cenu (ale nevěděl, co to
dogma znamená, myslel si, že je to něco zjevného a ne nedokazatelného)
• Popisuje cestu přenosu informace mezi biopolymery
• Přepis mezi nukleonovými kyselinami a překlad z RNA do proteinů
• To znamená – je nemožné, aby docházelo k toku informací z bílkoviny do
nukleonových kyselin (zanášení změn zpět do genetické informace)
• Proteiny vznikají na základě vzoru zapsaného v genech DNA
• Zahrnuje procesy přenosu informací (replikace DNA, transkripce do RNA, translace
RNA do proteinů)
Replikace DNA
• Proces vzniku dvou nových molekul DNA – jeden starý řetězec a jeden nový
• vytvoří se několik bublinek, kde začne replikace – ty se postupně spojí v nová vlákna
DNA
• templát – původní, mateřská DNA – na té se tvoří nová DNA
• vedoucí řetězec – tvoří se normálně
• opožďující se řetězec – tvoří se po částech – Okazakiho fragmenty – spojí se později
• nové vlákno vzniká od 5 ́konce do 3 ́konce
• staré je čteno od 3 ́konce do 5 ́konce
• pro začátek potřebuji primer
• iniciace
• elogance
• Terminace
o rRNA – zahajuje replikaci
o rozpletení dvoušroubovice DNA – pomocí helikázy
o začíná v místě označovaném jako replikační počátek (jeden nebo i tisíce)
o helikáza – zruší vodíkové můstky – despirilizace
o pro začátek potřebuji primer (navázáno primázou) – rRNA – zahajuje replikaci,
pomáhá tvořit komplementární báze
o DNA polymeráza – napojují báze, funguje pouze u vedoucího řetězce
o Ve zpožďujícím řetězce také tvoří nové báze DNA polymeráza, ale jen po
malých úsecích (Okazakiho fragmenty) – ty jsou pak spojeny ligázou
o (na počátky každého Okazakiho fragmentu musí opět zasáhnout primer – ten
je později vystřihnut a fragmenty spojeny ligázou)
o Nastává, když jsou vytvořeny kopie celé DNA
o Eukaryoty – lineární
3
• Koncové úseky (telomery) se replikací zkracují – to vadí u některých buněk (ty, které
se potřebují dělit pořád – prapohlavní) – mají enzym – telomeráza – obsahuje RNA a
podle ní si dotvoří další část telomery
Proteosyntéza
• Proces ve kterém se tvoří bílkoviny
• Transkripce = přepis genetického kódu DNA do RNA
• Translace = překlad kódů z RNA a tvorba bílkovin
• Transkripce probíhá v jádru
• Translace v ribozomech
• DNA se dočasně rozplete, aby mohla sloužit jako matrice – podle komplementarity
bází se k němu vytvoří molekula mRNA – hotové se z molekuly DNA uvolní a vycestuje
z jádra k ribozomu
• Ke kodonům mRNA se svými antikodony připojí molekuly tRNA – na opačném konci
má napojeny aminokyseliny – vytvořením peptidické vazby mezi aminokyselinami se
zruší vazba mezi kodony a antikodony – molekuka tRNA se uvolní do cytoplazmy
• Na ribozomech se váží aminokyseliny do polypeptidického řetězce – jsou tvořeny
primární strukturou mRNA
• Transkripce
o Rozpletení DNA (pomocí helikázy?) – RNA polymeráza – naváže se na
nukleotid v místě zvaném promotor – podle komplementarity začne tvořit
mRNA – opouští jádro – jde k ribozomu (následuje translace a vznik bílkoviny)
o Iniciace – rozvinutí dvoušroubovice DNA – tvoření RNA
o Elogance – prodlužování řetězce
o Terminace – ukončení transkripce, uvolnění RNA – posttranskripční úpravy
o Úpravy
Introny – část pre-mRNA – bude vytřižena
Exony – část pre-mRNA – sestřižena do mRNA – jde do cytoplazmy –
exprimace do proteinového řetězce
• Translace
o Probíhá od 5 ́do 3 ́
o Nutné transkripční faktory
o Ke kodonům mRNA se svými antikodony připojí molekuly tRNA – na opačném
konci má napojeny aminokyseliny – vytvořením peptidické vazby mezi
aminokyselinami se zruší vazba mezi kodony a antikodony – molekuka tRNA
se uvolní do cytoplazmy
o Na ribozomech se váží aminokyseliny do polypeptidického řetězce – jsou
tvořeny primární strukturou mRNA
Genetický kód – základní vlastnosti
• Uložení genetické informace v primární struktuře nukleových kyselin
• V jedné molekule DNA může být uloženo více genů
• Soubor pravidel, podle kterých je genetická informace uložena v nukleové kyselině
• Převádí informaci na primární strukturu bílkovin (pořadí aminokyselin)
4
• Každá z 20 typů aminokyselin může být kódována třemi po sobě jdoucími bázemi =
kodon = triplet – vznikne tedy 64 kombinací kodonů
• Jedna a tatáž aminokyselina může být kódována i několika různými kodony
Pojem „gen“
• Jeden ze základních genetických pojmů
• Jako synonymum pro vlohu nebo pojmenování konkrétního úseku DNA
• Gen jako vloha
o Jednotka odpovědná za vznik dědičné vlastnosti a podoby organismu =
fenotyp
o Vyskytuje se v rozdílných typech = alely – navzájem se odlišují ve svém vlivu
na fenotyp
o Majorgeny
o Minorgeny
Geny velkého účinku, mají velký vliv na fenotyp
Vliv prostředí na jejich expresi je většinou malý
Kódují kvalitativní znaky – kódované jedním nebo jen několika geny
(barva očí, tvar ušního boltce,…)
Geny malého účinky
Malý účinek na fenotyp
Kódovaný mnoha geny a alelami (určuje celkové vlastnosti organismu)
Kvalitativní znaky
Důležité mezialelové interakce – jeden samotní gen je většinou
nevýznamný
• Gen jako úsek DNA
o Genem se nazývá úsek DNA se specifickou funkcí – schopen při dělení buňky
vyrobit svoje vlastní přesné kopie – přenáší se do dalších generací
o Strukturní geny – obsahují informace pro syntézu jediné molekuly polypeptidu
o Regulátorové geny – uplatnění při řízení gen§ strukturních
o Geny pro RNA – kóduje pořadí nukleotidů v mml rRNA a tRNA (ty molekuly,
které nepřenáší genetickou informaci dále do struktury polypeptidu)
Genetika prokaryotické buňky
• Nemá typické jádro
• Nukleoid – jediná cyklická mml DNA = chromozom
• Mitoticky se nedělí
• V přesně vymezených místech za sebou leží geny – každý gen je tvořen jen jednou
alelou
• Operon
o souvislá řada genu
o tvořen operačním genem a jemu podřízeným strukturním genem
o cely operon se přepisuje do jedné molekuly mRNA
5
• plazmidy
o přepis operonu je řízen regulačním genem – zahajuje i končí syntézu mRNA
o menší kruhové úseky DNA v cytoplazmě
o replikují se nezávisle na hlavním chromozomu
o velmi proměnlivé – geny snadno vstupují i vystupují
o obsahují genu podmiňující rezistenci bakterií vůči antibiotikům, geny
rozhodující o patogenitě
o dostávají se do popředí genetického výzkumu a využití v genetickém
inženýrství
Genetika eukaryotické buňky
• jaderný genom je rozdělen do určitého počtu jednotlivých chromozómů
• počet a druh chromozomů je pro každý druh charakteristické a konstantní
• DNA se ještě vyskytuje v semiautonomních organelách – mitochondrie, plastidy
• v jádře somatické buňky se vyskytují
• geny jsou na chromozomu uloženy lineárně za sebou
o dvojice stejných chromozomů = homologické chromozomy (polovina jich
pochází od matky a polovina od otce)
o o stejné genetické výbavě
o však alely nemusí být stejné kvality
o místo, kde se vyskytují, se nazývá lokus
o vzdálenost se udává v morganech
o mapuje se pomocí chromozomových map
• pohlavní rozmnožování vede k tomu, že jedinec není podobný ani jednomu rodiči –
genotypově i fenotypově se liší
o pohlavní rozmnožování je vývojově vyšší než nepohlavní
o zajišťuje různorodost a proměnlivost jedinců daného druhu
• nepohlavní rozmnožování – vzniká jedinec se stejným genovým fondem jako rodiče –
nevzniká nová kombinace genů
• znaky organismu = fenotyp – soubor všech kvalitativních a kvantitativních znaků
organismu
o morfologické – tvar a velikost těla, tvar a velikost orgánů
o funkční – dané mírou vyvíjet biologickou aktivitu
o psychické (pouze u člověka) – temperament, inteligence, nadání
o některé znaky se vyskytují v různých kvalitách – kvalitativní
o nebo v míře svého vyjádření – lze je měřit a vyjadřovat – kvantitativní
o
Základní genetické pojmy
• Znak
o Jakákoli vlastnost organismu
o Podstata – protein v DNA – zařídí nějakou reakce
6
• Fenotyp
• Gen
• Alela
• Genotyp
• Genom
o Kvalitativní, kvantitativní
o Soubor všech viditelných znaků organismu
o Hmotný předpoklad znaku
o Strukturní, regulační, pro syntézu tRNA a rRNA
o Majorgeny, minorgeny
o Forma genu
o Soubor všech genů organismu
o Soubor všech genů v jedné buňce
o Jaderný, mimojaderný
Mendelovy zákony dědičnosti
• Shrnují pravidla, která se podílejí na dědičnosti znaků, které nejsou pohlavně
ovlivněny
• Zákon o uniformitě hybridů F1 generace homozygotů
• Zákon o segregaci alel a jejich kombinace ve druhé filiální generaci kříženců
o Dominantní homozygot AA + recesivní homozygot aa
o Potomci – F1 generace – mají všechny znaky stejné
o Při křížení heterozygotních rodičů lze genotyp o fenotyp nově vzniklých
jedinců vyjádřit poměrem malých celých čísel
o Vyjádřeno tabulkami
• Zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel, pokud jde o dominanci a homozygoty
• Homozygot – obě alely jsou stejné
• Heterozygot – alely jsou různé
• Recesivní – alely s malými písmenky
• Dominantní – alely s velkými písmenky
• Neúplná dominance – nedojede ke klasickém projevy, kdy dominantní alela Aa se
projeví ve fenotypu jako A, výsledný fenotyp bude kombinací mezi dominantní i
recesivní alelou
• Kodominance – Projevuje se u heterozygota rovnocenným a paralelním fenotypovým
projevem obou alel, Alely A a se navzájem neovlivňují, každé se fenotypově ovlivňují
po svém, Např.: krevní skupiny
• Monohybridní křížení s úplnou dominancí
• Monohybridní křížení s neúplnou dominancí
• Zpětné křížení
o Křížení f1 s některým z rodičů
o Lze dokázat, že heterozygot vytváří obě alely ve stejném množství
o Lze dokázat, jestli sledovaný znak byl založen homozygotně nebo
heterozygotně
7
o Křížení hybrida s homozygotně recesivním rodičem – analytické zpětné křížení
•
Řešení genetických příkladů
Odborné pojmy
• crossing-over
• haploidie
• komplementarita
• matrice
• proteosyntéza
• kodon
• triplet
• klon
• genom
• plazmidy – kruhová DNA v prykaryotní buňce