Wysyłanie materiałów z wykładów
Kierunek Nazwisko Adres e-mail
Ped. socjalno-opiek. Paulina Kowalczyk [e-mail]
Pedag. zdrowia- [e-mail]
BIOMEDYCZNE PODSTAWY
Ped. Zintegrowana
edu. Wczesnoszkolna
ROZWOJU CZA
OWIEKA
Wych. przedszkolne- [e-mail]
Pedagogika ??? Kamila Widera [e-mail]
Pedagogika Beata Jarza [e-mail]
Wykład dla studentów I roku
na kierunku Pedagogika
Dr Andrzej Kędziorski
Katedra Fizjologii ZwierzÄ…t i Ekotoksykologii
WYKA
AD 3
 Kształtowanie się zarodka stanowi najtrudniejsze zadanie
Materialne aspekty rozwoju somatycznego
jakie masz do wykonania w całym swoim życiu&
wzrastanie
Jedna z zasadniczych różnic pomiędzy tobą a maszyną jest taka,
różnicowanie
że maszyna nigdy nie musi działać,
dojrzewanie
dopóki nie jest ukończona jej konstrukcja.
zanik
Każdy organizm zwierzęcy musi funkcjonować
Główne etapy i procesy w rozwoju prenatalnym
już podczas tworzenia własnej struktury.
stadium jaja płodowego
[Gilbert (za: Hopkins, 2005)]
stadium zarodka
stadium płodu
Rola czynników genetycznych w rozwoju prenatalnym
podstawy genetyki molekularnej i mendlowskiej
oddziaływania pomiędzy genami w rozwoju
dziedziczenie cech somatycznych i psychicznych
genetyczna determinacja możliwości rozwojowych
dziedziczenie epigenetyczne
Ludzki zarodek na końcu igły.
z
ródło: Mader, 2004
1
Materialne aspekty rozwoju 1. Wzrastanie
2. Różnicowanie
1. Wzrastanie
3. Dojrzewanie
2. Różnicowanie
4. Zanik (inwolucja)
3. Dojrzewanie
4. Zanik (inwolucja)
Różnicowanie rozpoczyna się
w stadium moruli i prowadzi do
powstania blastocysty
1. Wzrastanie
- rozplem (proliferacja, hiperplazja)
Węzeł zarodkowy
Trofoblast
- rozrost (hipertrofia)
(embrioblast)
Błona płodowa
Tarczka Owodnia
(kosmówka)
zarodkowa
Listki zarodkowe
Różnicowanie zwykle łączy się
(czasowo) ze wzrastaniem
y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006 y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006
Różnicowanie listków zarodkowych
blastocysta
Węzeł
Trofoblast
zarodkowy
kosmówka
Tarczka
Owodnia
zarodkowa
Listki zarodkowe Tkanki
- ektoderma
- endoderma
NarzÄ…dy
- mezoderma
Mader, 2004 y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006
2
Tkanki wymienialne  krótki okres
Mapowanie rozwoju
życia komórek wymusza ich ciągłą
wymianÄ™ na nowe (szybka
regeneracja).
Tkanki statyczne  rozplem
zachodzi tylko w określonych
stadiach rozwoju; długi okres życia;
słaba regeneracja lub jej brak!
Tkanki ekspansywne  zdolne do
rozplemu cały czas, zachodzi on
jednak tylko w określonych
warunkach.
W trakcie rozwoju z zygoty
Losy komórek w rozwoju zarodkowym nicienia C. elegans. Opisy wskazują komórki tworzące
powstaje ponad 100 różnych
konkretne narządy. Czerwone kropki oznaczają komórki, które ulegają apoptozie.
typów komórek budujących
tkanki i narządy ciała.
Berg, Stryer 2002. Biochemistry. 5 ed y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006
Procesy rozwojowe:
Procesy rozwojowe:
1. Wzrastanie
1. Wzrastanie
2. Różnicowanie
2. Różnicowanie
3. Dojrzewanie
3. Dojrzewanie
4. Zanik (inwolucja)
4. Zanik (inwolucja)
y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny
y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006 człowieka. PWN 2006
3
Wzrastanie charakteryzuje:
Zmiany wielkości ciała dziecka w rozwoju prenatalnym (za: Faller, 2004)
Kinetyka wzrastania  poziom
wzrostu w czasie
M-c ciąży długość ciała (cm) masa ciała (g)
Zygota 0,01 ~ 0,0001
Koniec 1 miesiÄ…ca 0.4 1
Dynamika wzrastania (= tempo
Koniec 2 miesiÄ…ca 3 3
rozwoju) - zmiany przyrostu
Koniec 3 miesiÄ…ca 6 20
cechy w jednostce czasu w
trakcie rozwoju
Koniec 4 miesiÄ…ca 16 130
Koniec 5 miesiÄ…ca 25 400
Koniec 6 miesiÄ…ca 30 700
Rytm wzrastania  następstwo
Koniec 7 miesiÄ…ca 35 1100
nasilenia i zmniejszenia
Koniec 8 miesiÄ…ca 40 1800
szybkości przyrostu cechy
Koniec 9 miesiÄ…ca 45 2750
Koniec 10 miesiÄ…ca 50 3300
y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006
Periodyzacja okresu rozwoju prenatalnego
Główne etapy i procesy w rozwoju prenatalnym
Faza jaja płodowego
od zapłodnienia do implantacji (7 dzień)
Faza zarodka
od 2 t.ż. do końca 8 t. ż.
XIX-wieczne przedstawienie zwiÄ…zku
(2 miesiąca ciąży)
pomiędzy ontogenezą a filogenezą
(mimo, że prezentowane jako empiryczne,
przesadnie pomniejsza różnice pomiędzy
gatunkami).
Faza płodu
od 9 t.ż do porodu
8-tyg. zarodek
y
ródło: Hopkins, 2005
(przedruk wtórny z: E. Haeckel, 1897. The Evolution
4-miesięczny płód
of Man. New York: D. Appleton and Co.)
4
Ważniejsze wydarzenia w rozwoju prenatalnym (za: Solomon i wsp., 1996)
embryology.med.unsw.edu.au/
BÅ‚ony pozazarodkowe
owodnia  otacza zarodek i zapewnia wodne środowisko
Ludzki zarodek na poczÄ…tku 5 tygodnia. Mikrofotografia z EMS (a) i jej schematyczna
kosmówka  buduje zarodkową część łożyska
interpretacja (b). Widoczne zwinięcie zarodka, tworzący się przewód pokarmowy
i zawiązki kończyn. Ogon jest szczątkową pozostałością cechy dalekich przodków omocznia  buduje naczynia krwionośne pępowiny
i w dalszym rozwoju ulega redukcji do kręgów ogonowych.
pęcherzyk żółtkowy  słabo wykształcony, buduje pępowinę
Faller  The Human Body, 2004
5
Budowa i funkcje łożyska Budowa i funkcje łożyska
naczynia Kosmki Krew matczyna Dysk owodnia
pępowiny kosmówki w przestrzeni łożyska
Bariera łożyskowa:
śródkosmkowej
Mechanizm rozdzielenia krwi matczynej i płodowej  zapewnia selektywną
wymianę substancji między matką a płodem (gradient stężeń!);
Utworzona przez nabłonek kosmka, tkankę łączną kosmka i ściany naczyń
płodowych
Sznur pępowinowy (funiculus umbilicalis): zawiera:
żyłę pępowinową - transportuje natlenowaną krew z łożyska
2 tętnice pępowinowe  transportują odtlenowaną krew do łożyska
Błona mięśniowa
Tetnica spiralna
endometrium
Przegroda
Naczynia Żyły
Funkcje łożyska:
łożyskowa
kosmka endometrium
Dostarczanie substancji odżywczych i gazów (tlen) do zarodka
Część płodowa: dysk kosmówki z naczyniami płodowymi i kosmki
Odprowadzanie metabolitów i gazów (CO2)
Część matczyna: endometrium z tętnicami spiralnymi i przegrodami łożyska,
które oddzielają przestrzenie śródkosmkowe wypełnione krwią matczyną.
Produkcja hormonów (m.in. estrogenów, progesteronu, HCGs, relaksyny)
Wymiary:
Podtrzymanie ciąży
całkowita powierzchnia kosmków: 8-14 m2;
średnica dojrzałego łożyska: ok. 18 cm;
masa: 450-500 g.
Faller  The Human Body, 2004
Rozwój płodu
Wzrost na długość (od pięty do czubka głowy)
w n-tym miesiącu księżyc. ciąży:
- reguła Haasego:
L [cm] = n2 (pomiędzy 4 i 5 miesiącem)
L [cm] = 5 × n (od 6 miesiÄ…ca do porodu)
Długość trwania ciąży:
Rola czynników genetycznych
280 dni (= 10 m-cy księżycowych) licząc od 1-go dnia
ostatniego cyklu;
w rozwoju prenatalnym
266 dni licząc od dnia owulacji lub zapłodnienia.
Anatomiczne oznaki dojrzałości płodu w terminie porodu:
długość ciała 49-51 cm
długość od czubka głowy do kości ogonowej 33 cm
masa ciała 3,2-3,4 kg
paznokcie dłoni i stóp wystają poza paliczki
Jądra w mosznie (u chłopców); wargi sromowe większe przykrywają mniejsze
(u dziewczÄ…t)
6
ORGANIZACJA MATERIAA
U GENETYCZNEGO W KOMÓRCE
KAMIENIE MILOWE ROZWOJU GENETYKI
Lata 1860te  badajÄ…c dziedziczenie cech u
grochu G. Mendel formułuje podstawowe prawa
dziedziczenia. Cechy są określone przez
nieciągłe jednostki przenoszone na potomstwo.
1900-1903  de Vries badając wiesiołki
formułuje teorię mutacji i przypisuje mutacjom
dominujÄ…cÄ… rolÄ™ w ewolucji.
1909  W. Johanssen, wprowadza termin  gen
oznaczajÄ…cy jednostkÄ™ dziedziczenia cechy.
Grzegorz Mendel Thomas Morgan
1910  T. Morgan (badania na Drosophila)
chromosomowa teoria dziedziczności - geny
zajmują określone locus na chromosomie i
ułożone są liniowo;.
1941 - G. Beadle i E. Tatum: koncepcja  jeden
gen, jeden enzym .
1944 - O. Avery, C. MacLeod i M. McCarty
ustalenie, że geny zbudowane są z DNA.
1953 J. Watson i F. Crick ustalajÄ… chemicznÄ…
strukturę DNA i formułują centralny dogmat
biologii molekularnej: DNA RNA białko.
Oswald Avery J. Watson i F. Crick
CzÄ…steczka DNA jest
POJ
CIA PODSTAWOWE
stabilizowana przez białka
tworzÄ…ce struktury
wyższego rzędu o różnym GEN  liniowa sekwencja deoksyrybonukleotydów na nici DNA, kodująca
stopniu upakowania:
komplementarną sekwencję rybonukleotydów w cząsteczce RNA, oraz
- nukleosom sekwencję aminokwasów w cząsteczce polipeptydu (w przypadku
mRNA). Zawiera sekwencjÄ™ regulujÄ…cÄ… transkrypcjÄ™.
- spirale (solenoid), pętle itp.
- chromatyda (=chromosom)
ALLEL  wariant danego genu, zajmujÄ…cy to samo miejsce (locus) w
chromosomie; powstaje na drodze mutacji; w zależności od charakteru
zmiany wyróżniamy a. dominujące i recesywne.
Dzięki temu ok. 190 cm! DNA
KOD GENETYCZNY  sposób odwzorowania sekwencji nukleotydów DNA
w komórce jest podzielone na
(RNA) na sekwencję aminokwasów. Właściwości kodu genet.:
kawałki  chromosomy (46),
których liniowe rozmiary mogą
trójkowy
być < 10 µm, co umożliwia ich
niezachodzÄ…cy
rozdział podczas podziału.
uniwersalny
bezprzecinkowy
jednoznaczny
zdegenerowany
KOMPLEMENTARNOSĆ ZASAD  zasada przebiegu replikacji DNA
i transkrypcji (A-T (U), G-C)
7
Główne zasady i prawa dziedziczenia Główne zasady i prawa dziedziczenia
I prawo Mendla (czystości gamet)
Prawo Hardy i Weinberga (stałości puli genetycznej populacji)
allele homologiczne wykluczajÄ… siÄ™ w gametach;
w ustabilizowanej populacji, w stałych warunkach częstość występowania
w czasie mejozy (anafaza I) dwa występujące w macierzystej komórce gamet allele danego genu
(biwalent) rozchodzą się po jednym do każdej z potomnych komórek rozrodczych, tak że każdy plemnik
poszczególnych alleli nie ulega zmianie z upływem czasu;
lub jajo ma tylko jeden allel danego genu (podczas gdy zygota dwa)
prawo nie dotyczy genów w chromosomach płciowych mężczyzn
 stałe warunki to:
II prawo Mendla (niezależnego dziedziczenia różnych par alleli)
- brak zachodzenia nowych (niezrównoważonych) mutacji,
allele niesprzężone dziedziczą się niezależnie od siebie;
- brak migracji osobników (zarówno emigracji jak imigracji)
w czasie mejozy allele należące do dwóch różnych par (genów) rozchodzą się do gamet niezależnie
- brak selekcyjnej przewagi określonego allela (przeżywalność, możliwość rozrodu,
od siebie (pod warunkiem, że nie leżą na jednym chromosomie) tak, że w gametach mogą się spotykać
płodność) - nie działa dobór naturalny
ze sobą w dowolnych, zależnych od przypadku kombinacjach
prawo nie dotyczy genów sprzężonych, t.j. leżących na tym samym chromosomie; - brak działania lub nieistotny efekt czynników losowych (duża populacja)
crossing-over umożliwia częściowo niezależną segregację alleli sprzężonych
 Procentowy udział rudych albo piegowatych jest stały w kolejnych pokoleniach
p + q = 1 oraz p2 + 2pq + q2 = 1
W podanej wersji prawa Mendla to
właściwie prawa Mendla i Morgana
Kariotyp  obraz chromosomów w komórce (podczas metafazy  największa KAMIENIE MILOWE ROZWOJU GENETYKI
spiralizacja). Gatunkowo specyficzny, co pozwala wykryć ewentualne
zmiany strukturalne. Dowodzi istnienia szkieletu białkowego, tworzącego 1977  R. Roberts i P. Sharp: geny mogą być podzielone na segmenty. Wskazuje to na
możliwość, że jeden gen może kodować kilka białek.
strukturę każdego chromosomu.
1993  identyfikacja pierwszego mikroRNA (niekodujÄ…ce, regulatorowe czÄ…steczki) u
nicienia Caenorhabditis elegans.
2000  wstępny opis genomu człowieka (Human Genome Project)
2006  pojawia się koncepcja, że ludzkie geny stanowią jedno długie kontinuum.
14.04.2003 
opublikowano dokument
stwierdzajÄ…cy
zakończenie HGP;
poznano 99% genomu
kodujÄ…cego geny,
z 99,99% dokładnością
8
ORGANIZACJA GENOMU
Genom czÅ‚owieka (ok. 3 × 109 bp) zawiera:
" zaledwie 20-25 tys genów kodujących białka przez mRNA (ok. 3-5%)
" geny kodujące RNA (rRNA, tRNA, ncRNA: miRNA, duże RNA)
" niekodujÄ…ce sekwencje DNA:
- regulatorowe - regulujÄ… ekspresjÄ™ genu:
promotor, enhancer, silencer, izolator chromosomowy
- repetytywne (powtarzalne),
- elementy ruchome (transpozony i retrotranspozony).
ncRNA (niekodujÄ…ce RNA):
" potranskrypcyjna regulacja ekspresji swoistych mRNA
" regulacja procesów rozwoju u zwierząt
" blokowanie ekspresji genów
Organizacja informacji w DNA przypomina raczej bardzo złożony program
komputerowy niż zestaw przepisów na różne białka.
Efekty fenotypowe (molekularne) ekspresji genów
Zapis i odczytywanie informacji genetycznej
Białko Cecha fenotypowa
białko strukturalne np.:
tubulina kształt komórki (cytoszkielet)
aktyna kształt i ruch komórki (mikrofilamenty)
antygen AB0 grupa krwi
receptor ACh pobudliwość błony komórkowej
białko enzymatyczne np.:
synteza NA, A, DA neurotransmisja  procesy umysłowe;
amylaza, pepsyna  trawienie pokarmów;
synteza melaniny  obecność pigmentu w skórze
białko regulatorowe np.:
insulina  metabolizm glukozy;
hormon wzrostu  wielkość ciała
czynniki wzrostu  komórkowe regulatory mitoz
czynniki transkrypcyjne  regulacja procesów wzrostu komórki
i jej metabolizmu
Semikonserwatywna replikacja DNA oraz transmisja informacji genetycznej na białko
9
Translacja czyli tłumaczenie Translacja &
O przyporzadkowaniu aminokwasu
do określonego kodonu decyduje
specyficzność enzymu
(aminoacylo-tRNA syntetazy)
Å‚Ä…czÄ…cego danÄ… czÄ…steczkÄ™ tRNA
(i określony antykodon)
z danym aminokwasem.
y
ródło: Mader, 2004
Komplikacja zapisu i odczytu  geny podzielone
Regulacja ekspresji genów  jak czytać to co teraz potrzebne
Typowe geny strukturalne, kodujące białko zawierają na przemian sekwencje
kodujÄ…ce aminokwasy (eksony) i niekodujÄ…ce (introny). Co to oznacza?:
- konieczność precyzyjnego oznaczenia końców każdego intronu
- konieczność obróbki pierwotnego transkryptu (pre-mRNA):
wycięcie intronów
połączenie eksonów (składanie  splicing)
oznaczenie poczÄ…tku czÄ…steczki
dołączenie sekwencji końcowej
System indukcyjny u bakterii (operon lac). Umożliwia odpowiedz
(adaptacjÄ™) na
zmianę warunków środowiska (tu: obecność laktozy w podłożu).
10
Regulacja ekspresji u organizmów jądrowych Regulacja ekspresji genów &
Brak operonu: regulowana jest transkrypcja każdego genu
przez zmianÄ™ struktury chromatyny: euchromatyna  heterochromatyna
przez kompleks transkrypcyjny
przez sekwencje regulatorowe (wzmacniacze i wyciszacze)
Schemat kompleksu inicjującego transkrypcję. 1- enhancer, połączony z aktywatorem -
przez komplementarne kopie genów w innym miejscu genomu (piętno
czynnikiem transkrypcyjnym; 2 - kompleks mediatora; 3 - podstawowe czynniki
genomowe); ma charakter blokowania transkrypcji i dotyczy tylko niektórych
transkrypcyjne: TBP, TFIIB, TFIIE, TFIIF, TFIIH; 4 - RNA - polimeraza II.
genów.
Przepływ informacji genetycznej
Rola determinantów w rozwoju organizmu
Według koncepcji probabilistycznej epigenezy
Według centralnego dogmatu
Białko Białko zmiana konformacji białek przez priony
aktywacja/inaktywacja białek przez fosforylację
Białko RNA aktywacja mRNA przez białka
alternatywne składanie mRNA przez białka (splajsosomy)
Białko DNA regulacja ekspresji genów przez białka, także wpływy
środowiska, za pośrednictwem białek, na ekspresję
DNA "! DNA efekty epistatyczne (modyfikacja ekspresji genu w zależności
od sąsiedztwa innych genów);
Schematyczny obraz wpływu genów na procesy różnicowania biochem. i strukturalnego
regulacja ekspresji genów przez białkowe produkty innych
oraz dojrzewania wraz z interakcją modyfikatorów środowiskowych.
genów
Geny determinują specyfikę procesów rozwojowych,
hormony  uwarunkowanie ich natężenia,
czynniki środowiskowe  poziom procesów.
Hopkins, 2005 za: Gottlieb, 1998 - Normally occurring environmental and behavioral influences on gene activity:
y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006
from central dogma to probabilistic epigenesis. Psychological Review, 105, 792 802
11
DZIEDZICZENIE CECH  cechy jakościowe:
JÄ…drowe (podlega prawom Mendla i Morgana)
PozajÄ…drowe = cytoplazmatyczne (mitochondrialne); nie podlega prawom
Mendla i Morgana. Przyczyny:
- haploidalny genom mitochondrialny
- dziedziczenie zasadniczo tylko po matce ( po kÄ…dzieli )
  mitochondrialna Ewa
Schemat dziedziczenia monogenowego genów autosomalnych
Dziedziczenie cechy autosomalnej dominującej (u góry) i recesywnej (u dołu)
G - 1:1 G - 1:2:1 G - 1:0
F - 1:1 F - 3:1 F - 1:0
Dziedziczenie sprzężone z płcią (z chromosomem X). Mutacja ujawnia się przede
Dziedziczenie cech ilościowych  geny kumulatywne
wszystkim u mężczyzn (hemizygot)
Rozkład częstości występowania genotypów w potomstwie w zależności od liczby
par genów
12
Dziedziczenie cech ilościowych Determinacja cech somatycznych
Kodowanie przez wiele genów dotyczy różnych cech (c. poligeniczne): Współczynniki korelacji między osobami o różnym stopniu spokrewnienia oraz rodziców z ich
dziećmi  biologicznymi i adoptowanymi dla wybranych cech morfologicznych
Cechy somatyczne np.
wzrost,
konstytucja ciała
karnacja skóry,
swoistość immunologiczna
Cechy psychiczne np.
cechy temperamentu
(neurotyczność, ekstrawersja, poszukiwanie nowości, & )
inteligencja poznawcza
inteligencja emocjonalna
Odziedziczalność (heritablility)  część zmienności fenotypowej między
osobnikami, która może być przypisana różnicom genetycznym w populacji:
- obejmuje addytywną wariancję genetyczną, czyli sumowanie się niezależnych
wpływów alleli lub loci (o. sensu stricto)
- obejmuje addytywne i nieaddytywne z
ródła wariancji, czyli prócz powyższego
także różnice wynikające z interakcji pomiędzy różnymi allelami (dominacja) albo loci
(epistaza) (o. sensu lato)
y
ródło: Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006
Dziedziczenie inteligencji
Efekty kojarzenia
Współcz. korelacji (średnia i zakres) dla podobieństwa IQ między osobami o różnym stopniu Dobór wybiórczy negatywny
spokrewnienia i niespokrewnionych.  cechami przeciwstawnymi
(np.: niska żona i wysoki mąż)
Dobór wybiórczy pozytywny
 cechami podobnymi
(np.: oboje wysokiego wzrostu)
Homozja  fenotypowy efekt
działania identycznych alleli
na danÄ… cechÄ™ u homozygot:
gorszy rozwój, większa
śmiertelność
Heterozja  fenotypowy efekt
różnych alleli na daną cechę
u heterozygot: większy wigor
i żywotność mieszańców
jednak poziom cech może
być większy (h. pozytywna)
lub mniejszy (h. negatywna)
Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006 Wolański  Rozwój biologiczny człowieka. PWN 2006
13
ZMIENNOŚĆ GENETYCZNA I JEJ PODA
OŻE ZMIENNOŚĆ GENETYCZNA &
Rekombinacje (crossing-over, losowa segregacja w anafazie I mejozy)
Mutacje punktowe i strukturalne (chromosomowe)
Mutacje (punktowe, chromosomowe, genomowe)
Mutacje liczbowe chromosomów (genomowe) - aneuploidie Dziedziczenie epigenetyczne
- euploidie
zmiany w ekspresji genów bez zmiany sekwencji DNA
Mechanizm:
- chemiczne modyfikacje zasad DNA (np. metylacja)
- chemiczne modyfikacje białek związanych z DNA (histony)
- regulacja ekspresji genów przez ncRNA
Konsekwencje:
- inaktywacja jednego z chromosomów X u kobiet
- regulacja procesów rozwoju zarodkowego
- alternatywne składanie eksonów  różne białka
- inaktywacja (podczas mejozy) jednego z rodzicielskich alleli
niektórych, ściśle określonych genów (ok. 50)  tzw.
piętno genomowe, lub rodzicielskie piętnowanie genów
Czynniki środowiska oraz starzenie mogą zakłócić działanie
mechanizmów epigenetycznych
Triploidia
14