Genetyka
Genetyka jest nauką badającą zmienność i mechanizmy dziedziczenia u organizmów. Początek tej dziedziny datuje się od pierwszych lat XX wieku. Gwałtowny rozwój nastąpił w ostatnich 30 latach, a został zapoczątkowany odkryciem budowy kwasów nukleinowych (jednostek dziedziczności) w 1953 roku przez Cricka i Watsona.
Obecnie w genetyce istnieje kilka działów, np.:
genetyka klasyczna - zajmuje się ogólnymi mechanizmami dziedziczenia
genetyka molekularna - bada materiał genetyczny
genetyka odporności - bada mechanizmy genetyczne odporności
genetyka populacyjna - bada mechanizmy zmienności w populacjach związane ze zmianami częstości pod wpływem mutacji, selekcji, migracji.
Chromosomowa teoria dziedziczności
Twórcą chromosomowej teorii dziedziczności jest Thomas Morgan (żyjący w latach 1866-1945, amerykański genetyk), który badał dziedziczenie różnych cech (np. kształt i wielkość skrzydeł, barwę oczu u muszki owocowej - Drosophila melanogaster). Muszka okazała się doskonałym obiektem badań, ponieważ;
zawiera mało chromosomów (tylko 4 pary)
chromosomy jej są duże, łatwo je obserwować pod mikroskopem optycznym
charakteryzuje się dużą zmiennością
charakteryzuje się dużą rozrodczością
w ciągu roku można uzyskać kilka pokoleń muszek, ponieważ mają krótki cykl rozwojowy trwający tylko 14 dni.
Morgan w 1910-11 roku opublikował swoje wnioski dotyczące prowadzonych obserwacji dziedziczenia cech u muszki owocowej. Morgan wykazał, że:
czynnikami dziedziczenia są geny umieszczone w chromosomie (widoczne jako ciemniejsze i jaśniejsze prążki po odpowiednim wybarwieniu)
geny ułożone są w chromosomie liniowo, każdy gen ma swoje ustalone miejsce, nazywane locus,
geny (allele) zapisujące określoną cechę występują w tych samych miejscach w chromosomach homologicznych,
w czasie podziału mejotycznego (przy tworzeniu gamet) zachodzi wymiana odcinków między chromosomami homologicznymi - zjawisko crossing-over,
geny występujące w jednym chromosomie dziedziczą się razem, odstępstwem od tej reguły jest crossing-over, w wyniku którego geny występujące zawsze razem czasem mogą występować oddzielnie,
dwa geny dziedziczą się niezależnie, jeśli ułożone są na innych chromosomach,
geny ułożone blisko siebie w chromosomie dziedziczą się zawsze razem i nazywane są genami sprzężonymi. Tym więcej genów sprzężonych, im więcej krótkich chromosomów w komórce. Morgan sporządził listę cech sprzężonych u muszki. Wyliczył, że liczba sprzężeń równa się pojedynczej liczbie chromosomów. Geny ułożone daleko od siebie, ale w jednym chromosomie częściej ulegają crossing-over. Morgan sporządził mapy chromosomów u muszki. Miarą odległości genów na chromosomie jest częstotliwość występowania crossing-over.
Dziedziczenie płci
Płeć determinowana jest przez chromosomy płci. U kobiet występują 2 identyczne chromosomy płci są to XX, a u mężczyzn występuje chromosom X oraz chromosom Y. Kobieta posiada 22 autosomy + XX (chromosomy płci), a mężczyzna posiada 22 autosomy + XY (chromosomy płci). U człowieka w chromosomie X występuje wiele genów zapisujących cechy potrzebne do życia osobom obu płci. Cechy zapisane w tym chromosomie nazywamy cechami sprzężonymi z płcią (są to np. hemofilia, daltonizm). W chromosomie Y jest tylko kilka genów. Określa się ten chromosom jako genetycznie pusty, jego obecność jest związana z cechami męskości.
Przekazywanie chromosomów płci odbywa się wg zasady:
dziewczynka otrzymuje jeden chromosom X od matki, drugi chromosom X ulega genetycznej inaktywacji tworząc ciałko Barra (stan heterochromatyny). Jest sprawą przypadku, który z chromosomów X (od matki czy od ojca) ulegnie inaktywacji. Chromosom X, który osiągnie stan heterochromatyny pozostaje genetycznie nieczynny we wszystkich komórkach.
chłopiec otrzymuje od ojca chromosom Y, a od matki chromosom X.
Liczba aktywnych chromosomów X jest taka sama u kobiet i mężczyzn.
Mechanizm determinacji płci przyjmuje różne warianty w świecie zwierząt, np. u ptaków, motyli płeć samicy warunkuje genotyp XY, a samca XX.
Budowa i rola kwasów nukleinowych
Kwasy nukleinowe to długie nici polinukleotydowe, zbudowane z nukleotydów, do zapisu których używa się jednoliterowych skrótów oznaczających odpowiednie zasady azotowe (składnik różniący nukleotydy): A - adenina, G - guanina, C - cytozyna, T- tymina, U - uracyl.
Wyróżnia się kilka funkcjonalnych kwasów nukleinowych (kwasy nukleinowe):
DNA - kwas deoksyrybonukleinowy. Cząsteczki tego kwasu mogą być koliste (u bakterii) lub pofałdowane i ciasno upakowane (u roślin, zwierząt, człowieka). DNA pełni funkcję materiału genetycznego. Zawarta jest w nim informacja o wszystkich białkach komórki oraz o wszystkich zachodzących w komórce procesach. Informacja ta jest powielana (replikacja) i przekazywana komórkom potomnym.
RNA - kwas rybonukleinowy. Występuje w większych ilościach w komórce niż DNA. Tworzy pojedyncze nici polinukleotydowe, w wielorakich formach molekularnych:
tRNA - transportujący RNA - ma charakterystyczną budowę, odpowiada za przeniesienie aminokwasów do rybosomów w czasie syntezy białka. Istnieje 60 rodzajów tRNA.
mRNA - informacyjny RNA - ma dużą rozpiętość masy cząsteczkowej w zależności od wielkości powstającego białka. Jego rolą jest przenoszenie informacji o składzie aminokwasowym białka. Istnieją tysiące rodzajów mRNA (tyle, ile jest różnych białek w organizmie).
rRNA - rybosomowy RNA - nie występuje w stanie wolnym, lecz wchodzi w skład rybosomów. Istnieją 3-4 rodzaje rRNA.
Cechy kodu genetycznego
Informacja genetyczna konieczna do utworzenia konkretnego białka zawarta jest w jądrze komórkowym w kwasie DNA. Informacja, nazywana kodem genetycznym, jest przepisana w procesie transkrypcji na mRNA. Proces ten przebiega w jądrze komórkowym w czasie transkrypcji. Część podwójnej helisy DNA rozdziela się czasowo na dwie nici. Na jednej z nich syntetyzowana jest komplementarnie nić mRNA (od końca 5' do 3') w obecności enzymu polimerazy RNA oraz czynników inicjujących. Do syntezy każdego z tysięcy powstających w organizmie białek potrzebny jest inny specyficzny mRNA. Później przepisana informacja wykorzystywana jest w procesie translacji do układania odpowiednich aminokwasów w białko.
Kod genetyczny jest:
Trójkowy, czyli trzy kolejne nukleotydy, tzw. kodony (triplety), zawarte w kwasie nukleinowym wyznaczają określony aminokwas w białku.
Znanych jest 20 rodzajów aminokwasów występujących w białkach. W DNA są tylko 4 różne nukleotydy, przy pomocy których zapisana jest informacja genetyczna. Jeśli jeden aminokwas byłby zaszyfrowany w kodzie za pomocą jednego nukleotydu, to informacja ta zapisywałaby tylko 4 aminokwasy.
Jeśli dwa kolejne nukleotydy zapisywałyby jeden aminokwas to istniałoby 16 możliwych kombinacji, czyli 4 aminokwasy byłyby nie zapisane. Ustalono, że do zapisania jednego aminokwasu potrzeba trzech kolejnych nukleotydów. Powstają wówczas 64 możliwe kombinacje 43 =64; można zapisać 20 aminokwasów i zostaje duży “zapas” trójek. Wśród 64 trójek kodujących są trzy tryplety: UAA, UAG, UGA, które nie kodują aminokwasów, pełnią funkcję kropek (nazywane są terminatorami lub trójkami nonsensowymi).
Niejednoznaczny - trójek kodujących 20 aminokwasów jest 61; niektóre trójki są synonimami oznaczającymi ten sam aminokwas. Oznacza to, że aminokwas może być wyznaczony (zapisany) przez więcej niż 1 kodon (nawet do 6 zapisów, np. leucyna). Najczęściej kodony wyznaczające ten sam aminokwas mają dwie pierwsze zasady takie same, a różnią się jedynie trzecią zasadą.
Bezprzecinkowy, kod nie posiada specjalnych oznaczeń odgraniczających jeden kodon od drugiego. Koniec zapisu danego białka zapisuje trójka nonsensowna (terminator): UAA, UAG lub UGA, której nie odpowiada żaden aminokwas.
Niezachodzący, czyli trójki odczytywane są kolejno, jedna nie zachodzi na drugą.
Uniwersalny: u różnych organizmów ten sam kodon oznacza ten sam aminokwas.
Biosynteza białka
Proces biosyntezy białka rozpoczyna się od transkrypcji, czyli przepisania informacji o składzie aminokwasów. Transkrypcję rozpoczyna polimeraza RNA, która wędruje do miejsca w DNA zwanego promotorem. Jest to proces wymagający nakładu energii, przyłączenie jednego nukleotydu wymaga dwóch wiązań związku wysokoenergetycznego. W komórkach eukariotycznych w procesie transkrypcji powstaje początkowo pre-mRNA, tzw. prekursorowy RNA, zawierający odcinki kodujące - eksony oraz niekodujące - introny. Po wycięciu intronów i połączeniu eksonów powstaje mRNA, który przechodzi do cytoplazmy i łączy się z rybosomami. Powstała nić mRNA w komórkach eukariotycznych zbudowana jest z 4 charakterystycznych odcinków: początek od końca 5' to czapeczka zbudowana z 7-metylo Gppp, obejmująca dwa nukleotydy, drugi odcinek nazywany jest liderem, obejmuje ok. 80 nukleotydów, trzeci odcinek zawiera zapis łańcucha białkowego, czwarty odcinek zawiera terminator oraz ok. 200 reszt kwasu adenylowego.
Proces syntezy białka poprzedza aktywacja aminokwasów zachodząca na terenie cytoplazmy. Aktywacja polega na wzbogaceniu energetycznym aminokwasu (AA) w obecności ATP i enzymu. Zaktywowany aminokwas łączy się z odpowiadającym mu (zapis w antykodonie) specyficznym tRNA (do końca 3'). Powstaje aminoacylo-tRNA oraz AMP.
tRNA zawiera specyficzny punkt rozpoznający, tzw. antykodon, zbudowany z trzech nukleotydów (tryplet) o specyficznej sekwencji, różnej dla różnych aminokwasów. Antykodon jest komplementarny w stosunku do odpowiedniego kodonu na mRNA. Antykodon pozwala umiejscowić aminokwas we właściwej pozycji na nici mRNA w rybosomie.
Właściwy proces syntezy białka nazywamy translacją.
Inicjacja rozpoczyna proces biosyntezy od połączenia mniejszej podjednostki rybosomu z mRNA od końca 5', gdzie znajduje się kodon odpowiadający metioninie. Do tego kodonu komplementarnie przyłącza się zaktywowany kompleks aminoacylo-tRNA, zawierający metioninę (metionylo-tRNA u eukariota, a formylometionylo-tRNA u prokariota).
W chwili tego łączenia następuje przyłączenie dużej podjednostki rybosomu do małej, a w rowku między nimi układa się mRNA. W powstałym rybosomie znajdują się dwa charakterystyczne miejsca: miejsce A, aminokwasowe oraz miejsce P, peptydowe. Pełnią one określone role w czasie syntezy białka. Miejsce P - łączy się z pierwszym kompleksem aminokwasowym przynoszonym najpierw do miejsca A. W miejscu aminokwasowym następuje odczytanie kodonu przez kolejne antykodony, rozpoczyna się tworzenie wiązania peptydowego. Tak przygotowany rybosom oraz zainicjowana synteza rozpoczyna kolejny etap biosyntezy, tzw. elongację. Rozpoczyna się ona od opuszczenia miejsca P przez zdeaminoacylowany tRNA. Zwolnione miejsce jest “zajmowane” przez aminokwas obecny w miejscu A. Miejsce A staje się wolne i może wiązać następną cząsteczkę aminokwas-tRNA, cały cykl powtarza się tak długo aż powstanie całe białko.
Ostatni etap, tzw. terminacja, następuje wówczas, gdy w miejscu A pojawia się nonsensowna trójka kodująca (terminator), informująca o końcu białka. Wówczas rybosomy rozpadają się na podjednostki, a powstałe białko (ma strukturę pierwszorzędową) przechodzi do ER (siateczka śródplazmatyczna), gdzie, przybierając kolejne rzędowości, przygotowuje się do funkcji, jaką będzie pełniło. Cały proces syntezy zachodzi bardzo szybko. Obliczono, że łączenie 360 aminokwasów trwa około 18 sekund.
Regulacja ekspresji genetycznej
Organizm nie syntetyzuje przez cały czas wszystkich białek. Byłoby to niekorzystne, ponieważ część białek byłaby niepotrzebna i organizm musiałby je wydalać, co powodowałoby olbrzymie straty energii i “surowców”. Liczne geny są nieczynne, a funkcjonują tylko potrzebne w danej chwili. Proces regulacji tworzenia białek nazywamy ekspresją genetyczną, czyli ujawnianiem się cechy warunkowej określonym genem.
Przedstawili ten proces w 1961 roku Jacob i Monod jako tzw. teorię operonu laktozowego. Poznali oni mechanizm regulacji dodatniego i ujemnego działania genu u bakterii okrężnicy (Escherichia coli) w tzw. systemie indukcyjnym. Stwierdzili, że w chromosomie występuje jednostka funkcjonalna nazywana operonem będąca zespołem genów strukturalnych i regulatorowych. Geny strukturalne odpowiedzialne są za syntezę enzymów (białek), a geny regulatorowe kontrolują i regulują pracę genów strukturalnych.
Do genów regulatorowych zaliczamy:
Gen regulator (R) - odpowiedzialny za syntezę białka nazywanego represorem.
Gen operator (O) - kontroluje pracę genów strukturalnych umożliwiając lub blokując proces transkrypcji.
W regulacji ekspresji genetycznej istnieją dwa typy regulacji działania genu.
Pierwszy nazywany dodatnim, umożliwia proces transkrypcji oraz syntezę białka. Bakterie okrężnicy hodowane są na pożywce, w której znajduje się laktoza. W ich komórkach gen regulator (R) wytwarza aktywne białko zwane represorem, które łączy się z obecnym w pożywce induktorem - laktozą, powodując jego inaktywację. Operator nie jest zablokowany, rozpoczyna się proces transkrypcji mRNA oraz synteza potrzebnych enzymów do rozkładu laktozy.
Drugi typ regulacji ujemny występuje wówczas, gdy w pożywce zabraknie laktozy, wówczas gen regulator (R) wytwarza aktywne białko - represor (ponieważ w podłożu nie ma induktora, którym jest laktoza), który łączy się z poeratorem, blokując proces transkrypcji. Enzymy nie są produkowane.
Proces regulacji genów u eukariota jest bardzo złożony, nie jest jeszcze wyjaśniony. Uczestniczą w tej regulacji hormony białkowe i sterydowe.
Zmienność organizmów
Zmienność oznacza szereg procesów prowadzących do wytworzenia różnic między osobnikami danej populacji lub między populacjami. Zmienność może wywoływać: środowisko, mutacje, rekombinacje genów. Zmienność może być dziedziczna i niedziedziczna.
Zmienność środowiskowa
Zmienność środowiskowa nazywana jest fluktuacyjną lub modyfikacyjną. Nie jest dziedziczna. Wpływa na fenotyp (wygląd) osobnika. Ta zmienność jest wypadkową pomiędzy warunkami, jakie stwarza genotyp (zespół genów) a warunkami środowiska. Jednak istnieje tzw. plastyczność genotypu, czyli określona granica zmian wartości danej cechy. Przykładem takiej zmienności jest zróżnicowany pokrój sosny rosnącej w różnych siedliskach.
Sosna rosnąca na polanie jest niewysokim drzewem, o równomiernie rozwiniętych konarach.
Sosna rosnąca w środku lasu jest bardzo wysokim drzewem, z rozwiniętymi szczytowymi częściami pędu, a suchymi dolnymi.
Sosna rosnąca na wydmie jest niskim drzewem posiadającym powyginane konary zgodnie z kierunkiem wiejącego wiatru.
Wszystkie sosny posiadają cechy charakterystyczne dla gatunku. Są drzewami pokrytymi szaro-brązową, spękaną korą. Liście mają w formie igieł osadzone po dwie na krótkopędzie. Kwiatostanem żeńskim jest owalna szyszka. Wytwarzają nasiona, z których w zależności od miejsca wykiełkowania wyrośnie fenotypowo zmieniona sosna.
Zmienność rekombinacyjna
Jest zmiennością dziedziczną. Polega na mieszaniu materiału genetycznego w procesach rekombinacji, dzięki którym powstają nowe układy genów, czyli nowe genotypy. W wyniku tej zmienności osobniki rozmnażające się płciowo różnią się pod względem posiadanych genów, każdy osobnik jest odmienny genetycznie (wyjątek stanowią bliźniaki jednojajowe). Odmienność genetyczna wynika z tworzenia nowych układów z już istniejących genów, nie powstają nowe geny.
Do rekombinacji genów dochodzi:
W czasie procesu crossing-over, zachodzącego w pierwszym podziale mejotycznym. Proces ten polega na wymianie odcinków dotyczących określonej cechy w chromosomach homologicznych.
Przy losowym rozchodzeniu się chromosomów do gamet w czasie mejozy.
Przy losowym łączeniu się gamet w czasie zapładniania.
Zmienność rekombinacyjna, ponieważ jest dziedziczna, odgrywa podstawową rolę w procesie ewolucji oraz w hodowli zwierząt i roślin (stosowanie selekcji).
Zmienność mutacyjna
W wyniku zmienności mutacyjnej powstają allele genów. Zmienność nazywana mutacją, powstaje nagle powodując dziedziczne zmiany w genotypie. Mutacje wywoływane są czynnikami mutagennymi, do których należą: promienie Roentgena, promienie nadfioletowe, kwasy azotowe, analogi zasad, barwniki akrydynowe. Mutacja może dotyczyć pojedynczego genu, zmiany struktury chromosomu, zmiany liczby chromosomów.
Mutacja punktowa - dotyczy zmiany pojedynczego genu, prowadzi do powstawania nowych alleli powodujących zmianę sensu zapisu oraz zmianę fazy odczytu (są włączone niewłaściwe aminokwasy do białka).
Przykładami mutacji punktowych są:
Tranzycja - polega na zmianie zasady purynowej na inną purynową (Adenina, guanina) lub pirymidynowej na inną pirymidynową (cytozyna, tymina).
Transwersja - polega na zmianie zasady purynowej na pirymidynową lub odwrotnie.
Delecja - polega na wypadnięciu nukleotydu.
Insercja - polega na wstawieniu nukleotydu.
Skutkami mutacji punktowej jest powstawanie schorzeń genetycznych wynikających z zaburzenia bloków metabolicznych.
Przykładami schorzeń będących skutkiem mutacji punktowej w organizmie człowieka są:
Fenyloketonuria - spowodowana brakiem enzymu przekształcającego fenyloalaninę w tyrozynę. Powstają z fenyloalaniny kwasy, które powodują uszkodzenie układu nerwowego oraz niedorozwój umysłowy. Uszkodzeniu ulega recesywny gen. W Polsce bardzo dużo osób jest nosicielami genu fenyloketonurii, chorują osobniki homozygotyczne.
Alkaptonuria - jest wynikiem uszkodzenia genu recesywnego, w którym zapisana jest informacja o enzymie przekształcającym kwas homogentyzynowy w kwas fumarowy. Nieprzekształcony kwas odkłada się w stawach, niszcząc je.
Albinizm - wywołany jest mutacją genu recesywnego. Brak w organizmie enzymu tyrozynazy, który odpowiada za wytworzenie melaniny; powoduje to brak zabarwienia skóry, włosów oraz tęczówki.
Anemia sierpowata - powstaje z powodu uszkodzenia genu recesywnego odpowiedzialnego za tworzenie włókienek białkowych hemoglobiny. W wyniku mutacji następuje zmiana włączonych aminokwasów, powodując zmianę kształtu erytrocytów.
Mutacje struktury chromosomów, tzw. aberracje.
W wyniku tych mutacji następuje zaburzenie pierwotnej struktury chromosomu. Są wynikiem nieprawidłowego procesu crossing-over. Przykładem tej mutacji są:
deficjencja (delecja) - polegająca na utracie odcinka chromosomu.
duplikacja - podwojenie odcinka chromosomu.
inwersja - odwrócenie odcinka chromosomu o 180°.
translokacja - przyłączenie do chromosomu odcinka chromosomu niehomologicznego.
Mutacje liczbowe, tzw. genomowe, powodują zmianę liczby chromosomów.
Prawidłowa liczba chromosomów w komórce diploidalnej wynosi 2n, w haploidalnej 1n. W mutacji genomowej zostaje zaburzona liczba chromosomów. W wyniku tej mutacji mogą powstać:
Aneuploidy, organizmy u których następuje utrata jednego chromosomu 2n-1 (tzw. monosomik), lub mają o jeden chromosom za dużo 2n+1 (tzw. trisomik). Przyczyną tej mutacji jest nondysjunkcja polegająca na niewłaściwym (braku rozejścia) rozejściu się chromosomów w czasie mejozy.
Skutkami mutacji genomowej z nondysjunkcją jest powstanie chorób genetycznych wynikających z zaburzenia prawidłowej liczby chromosomów.
Zespół Downa - tzw. trisomia 21 pary. Objawami są niedorozwój umysłowy, niski wzrost, nieprawidłowe proporcje ciała, zbyt duży język, wady narządów wewnętrznych.
Zespół Edwardsa - trisomia 18 pary chromosomów. Objawami są głęboki niedorozwój umysłowy, wady rozwojowe.
Zespół Turnera - jest monosomią chromosomów płci. Występuje tylko u kobiet. Objawami są bezpłodność, niedorozwój jajników, niski wzrost, krępa budowa ciała.
Zespół nadkobiety - jest trisomią chromosomu X. Objawami są “wzmocnione” cechy kobiece. Niekiedy obniżona inteligencja oraz zaburzenia miesiączkowania.
Zespół Klinefertera - występuje u mężczyzn. Jest trisomią chromosomu X. Objawami są: bezpłodność, niedorozwój jąder, zmienione proporcje ciała, cechy kobiece w wyglądzie. Bywają anomalie seksualne.
Zespół nadsamca - trisomie chromosomu Y. Mężczyźni charakteryzują się wysokim wzrostem, zwiększoną pobudliwością emocjonalną i agresywnością, są płodni.
Poliploidy, czyli euploidy. U tych organizmów zostaje zwielokrotniony cały garnitur chromosomów, np. 3n, 4n, 5n. Mutację tę można wywołać sztucznie (np. kolchicyną), blokując rozejście się chromosomów w czasie podziału komórki.
Istnieją:
autopoliploidy - u których zwielokrotnienie garnituru chromosomów zachodzi w obrębie jednego gatunku.
allopoliploidy (amfiploidy) - u których zwielokrotnienie garnituru chromosomów zachodzi przy tworzeniu mieszańców, np. żubroń, pszenżyto, kuro-indyk. U tych osobników brak chromosomów homologicznych. Nie zachodzi proces mejozy. Nie tworzą gamet.
Skutki mutacji mogą być:
niekorzystne, ponieważ powodują śmierć organizmu, choroby genetyczne, zmniejszają zdolność adaptacyjną organizmu,
neutralne - zwłaszcza jeśli dotyczą komórek somatycznych,
korzystne - zwiększają możliwości adaptacyjne organizmu.
Mutacje są podstawowym mechanizmem napędowym ewolucji organizmów jako pierwotne źródło zmienności genetycznej. Zmiany powstające w mutacji, podlegają naturalnej selekcji, która faworyzuje nosicieli korzystnych alleli w danym środowisku.