Genetyka klasyczna (genetyka Mendlowska) - stworzona przez Mendla, opierająca się na podobieństwie rodziców i dzieci a polegająca na krzyżowaniu roślin i obserwacji segregacji cech w kolejnych pokoleniach mieszańców. Ten dział genetyki zajmuje się dziedziczeniem cech jednej pary osobników rodzicielskich. Genetyka populacji zajmuje się analizą dziedziczenia w obrębie zbiorowisk roślin, zwierząt, ludzi jako populacji. Genetyka populacji rozpatruje geny jako zbiory w obrebie jakiegoś gatunku. W tym zespole mają miejsce naturalne przekrzyżowania roślin, zachodzą mutacje i powstaje nowa, wspólna pula genów stosunku, proporcje ilościowe genów ulegają zmianie w czasie i w przestrzeni w zależności od różnych czynników środowiska. W genetyce populacji stosuje się metody statystyczne. Cytogenetyka -nauka rozpatrująca problemy dziedziczenia na poziomie komórki, zajmuje się szczególnie badaniem zależności jakie zachodzą pomiędzy cechami dziedzicznymi, a liczbą chromosomów i ich morfologią. Genetyka zachowań -dziedziczenie różnych zachowań zwierząt, ludzi tj zaloty u ptaków, budowanie gniazd, a u ludzi cechy związane z inteligencją, osobowością. Genetyka molekularna -powstała dzięki powiązaniu genetyki z biochemią. Zajmuje się rola kwasów nukleinowych DNA i RNA w procesach dziedziczenia. Dzięki genetyce molekularnej poznano budowę, istotę i funkcjonowanie genów.
CROSSING-OVER [ang.], genet. wymiana odpowiadających sobie odcinków między chromatydami chromosomów homologicznych złączonych w parę w profazie pierwszego podziału mejotycznego jądra komórkowego (mejoza); prowadzi do rekombinacji czynników dziedzicznych i w następstwie do powstawania nowych kombinacji cech organizmów
|
Wyróżniamy dwa rodzaje zasad kw nukleinowych: 1)kw dezoksyrybonukleinowy DNA 2)kw rybonukleinowy RNA. Do polowy XX w. uważano ze substancją dziedziczną jest białko. Później na podstawie badań uczonych wykazano, że substancją dziedziczną gdzie zapisana jest inf genetyczna o budowie białka jest DNA. Znajduje się głównie w jądrze kom a inf genetyczna z DNA zostaje przeniesiona, przepisana z DNA i poprzez rRNA jest przeniesiona do cytoplazmy gdzie nast. synteza białka, a więc dziedziczenie cech odbywa się przez kw nukleinowe.
DNA odkrył w 1969 r. Meischer. Wykrył go w jądrze kom w kom ropy pochodzącej z ran. Ponieważ subst ta znajdowała się w jądrze i miała charakter kwaśny nazwano ją kw dezoksyrybonukleinowym. W późniejszych badaniach wykazano, że DNA znajduje się także w chloroplastach i mitochondriach. O tym, że DNA jest subst dziedziczną decyduje w dużym stopniu jego struktura. DNA zbudowany jest z dwóch łańcuchów polinukleotydowych. Nukleotyd zbudowany jest z grupy fosforanowej i jednej z czterech zasad. W DNA znajdują się 4 zasady: 2 purynowe (adenina i guanina) i 2 pirymidowe (cytozyna i tymina). W jednym nukleotydzie znajduje się jedna z 4 zasad. Zasady w nukleotydzie połączone są wiązaniem glikozydowym z 5-węglanowym cukrem deoksyrybozą. Węgle w cukrze są oznaczone 1'-5'. W nukleotydzie znajduje się ponadto grupa fosforanowa. Jednostką niższego rzędu jest nukleotyd nie posiadający gr. fosforanowej. Nukleotydy w pojedynczym łańcuchu połączone są wiązaniami fosfodiestrowymi tzn. 5 atom węgla deoksyrybozy jednego nukleotydu jest połączony przez grupę fosforanową z 3 atomem węgla w deoksyrybozie następnego nukleotydu. Dlatego mówimy że dwa łańcuchy polinukleotydowe w cząst DNA ułożone są antyrównolegle lub przeciwnie spolaryzowane bo naprzeciw węgla 5' jednego łańcucha znajduje się węgiel 3' drugiego łańcucha. Dwa łańcuchy nukleotydowe w cząst DNA połączone są wiązaniami wodorowymi. Zawsze naprzeciwko adeniny znajduje się tymina i te dwie zasady są połączone wiązaniami podwójnymi, a naprzeciwko guaniny znajduje się cytozyna. Taki układ zasad nazywa się regułą albo zasadą komplementarności. Wyróżniamy 3 stopnie organizacji DNA: 1) I rzędowa -w pojedynczym łańcuchu polinukleotydowym nukleotydy ułożone są w określonej kolejności. Kolejność nukleotydów w DNA -sekwencja. 2) II rzędowa -dwa łańcuchy polinukleotydowe tworzą podwójną nic i są skręcone wokół siebie tworzące strukturę podwójna helisa - model struktury DNA w postaci podwójnej helisy zaproponowany w 1953 przez Jamesa D. Watsona i Francisa H. C. Cricka. Podwójna helisa stanowi podstawowy element struktury przestrzennej cząsteczki DNA. Składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych, które biegną w przeciwnych kierunkach i owijają się wokół wspólnej osi. Zasady azotowe nukleotydów znajdują się wewnątrz podwójnej helisy i są połączone wiązaniami wodorowymi w pary komplementarne. Fragmenty o strukturze podwójnej helisy znajdują się także w niektórych cząsteczkach RNA, np. tRNA. 3) III rzędowa -sposób ułożenia cząst helisy na cząst białka decyduje o strukturze III rzędowej. Długość łańcuchów w cząst DNA może dochodzić 4n, szerokość wynosi 2nm, a 1nm=10-9m. Stała odległość pomiędzy nukleotydami wynosi 0,34nm. Na 1skręt przypada 10 nukleotydów, czyli długość jednego skrętu wynosi 3,4 nm.
Hybrydyzacja DNA. Wiązania wodorowe pomiędzy dwoma łańcuchami w cząst DNA nie są stabilne. Po podgrzaniu cząst DNA do 100'C wiązania pękają i powstają dwa pojedyncze łańcuchy. Ten proces nazywa się denaturacją, jest ona odwracalna. W temp 60-70'C zachodzi renaturacja i nast. tworzenie dwułańcuchowej cząst. Jeśli zmieszamy DNA różnych gatunków bakterii można po denaturacji i denaturacji otrzymać DNA mieszańcowe, powstają tzw. hybrydy. Proces łączenia się odcinków DNA z różnych gatunków nazywa się hybrydyzacją. Pofragmentowane odcinki DNA w wyniku denaturacji mogą łączyć się w procesie renaturacji i powst cząst dwuniciowe gdyż wtedy łączą się tylko homologiczne odcinki DNA dwóch gatunków bakterii. Na tej podstawie można określić które partie DNA tych gatunków są homologiczne. Proces hybrydyzacji wykorzystuje się do oznaczenia podobieństwa DNA pochodzącego z różnych gatunków. Np. wykazano że DNA myszy i kury wykazuje 10% podobieństwa.
RNA zbudowany jest podobnie jak DNA z nukleotydów. Różnica polega na tym że w RNA zamiast cukru deoksyrybozy jest cukier ryboza, a zamiast tyminy występuje uracyl. Ponadto RNA ma najczęściej strukturę jednoniciową, może jednak zwinąć się tworząc regiony o strukturze dwuniciowej.
|
DOWODY WYKAZUJĄCE, ŻE DNA JEST subst dziedziczną .DNA znajduje się zawsze w jądrze kom w chromosomach, tylko u niektórych wirusów zamiast DNA znajduje się RNA .Ilość DNA związana jest z liczbą chromosomów. W gametach jest o połowę mniej ilości DNA i chromosomów niż w zygotach. Zawartość DNA oznaczamy w piktogramach (pg) 1pg=10-12g. Ilość DNA w zygocie nie jest związana ze złożonością organizmu. Genom jest to całkowita zawartość DNA znajdująca się w gamecie. U człowieka jest genom mniejszy niż u kukurydzy i traszki. Wielkość genomu związana jest z ilością repetetywnych czyli powtarzających się sekwencji DNA. Funkcja tych sekwencji nie jest do końca poznana. Prawdopodobnie rolę przy procesach regulacji genów. W genomie u człowieka znajduje się 35 tys genów. Na ich budowę wystarczy tylko 10% zawartości DNA, czyli 10% całego DNA decyduje i kontroluje biosyntezę białka. 3)Transformacja u niektórych mikroorg jest to przenoszenie genów w formie krótkich fragmentów z jednego szczepu dawcy do drugiego biorcy. Fragmenty w DNA dawcy mogą pochodzić z żywych lub martwych komórek. Wskutek crossing-over odcinek DNA dawcy zastępuje w chromosomie biorcy również homologiczny odcinek. Takie kom z przeniesionym genem DNA dawcy zastępuje gen biorcy. Z transformantów w wyniku podziałów wytwarzają się kolonie, szczepy posiadające właściwości dawcy np. szczep wrażliwy na penicylinę staje się odporny na nią. 4)Transdukcja polega na przenoszeniu DNA z jednego szczepu bakterii na drugi przy pomocy bakteriofagów (wirusów bakteryjnych). Zbudowany jest z główki i ogonka. W główce znajduje się DNA. Główka i ogonek są otoczone otoczką białkową. Bakteriofag za pomocą ogonka przytwierdza się do kom dawcy i atakuje ją. DNA bakteriofaga wnika do bakterii dawcy, powoduje rozpad kolistego chromosomu bakteryjnego. Nast. również replikacja DNA faga. W kom tworzą się bakteriofagi zawierające DNA faga oraz bakterii dawcy później nast. liza czyli rozpad kom dawcy. Fagi atakują kom biorcy. W kom biorcy nast. crossing-over w miejsce genu biorcy wchodzi gen bakterii dawcy. Kom biorcy poprzez transdukcję zawiera geny kom dawcy. Te geny przenoszone są poprzez bakteriofagi na kolejne kom. 5)Koniugacja bakterii. U bakterii wykryto płeć. Kom męskie koniugują z kom żeńskimi. Jedna kom jest dawcą chromosomu, a druga biorcą. Chromosom bakteryjny w procesie koniugacji przechodzi z jednej kom do drugiej. Czas przechodzenia jest stały i można przerwać proces koniugacji i ustalić, które geny razem z chromosomem przeszły z dawcy do biorcy. Na podstawie długości nici można określić położenie genów na chromosomie bakterii. Proces koniugacji u bakterii jest kolejnym dowodem, ze subst dziedziczną jest DNA.
|
Ekspansja genów -wyrażenie inf genetycznej zawartej w postaci układu nukleotydów o kolejności ułożenia aminokwasów w białkach. Ekspansja genów obejmuje: *transkrypcja -przepisywanie inf genetycznej z DNA na mRNA *translacja -przepisywanie inf genetycznej z mRNA na białko. Klasyczny przepływ inf ma postać: DNAtranskrypcja→RNAtranslacja→białko. Inf o budowie białka znajdują się w DNA. Sposób lub kolejność ułożenia nukleotydów w DNA za pomocą kt przekazywana jest inf o kolejności ułożenia aminokwasów w białku nazywa się kodem genetycznym. W DNA znajdują 4 nukleotydy -cztery podstawowe litery wchodzące w skład DNA. Natomiast białko zbudowane jest z 20 aminokwasów, czyli język białek jest 20-literowy. Zachodzi zatem pytanie jak inf gen zapisana w postaci 4 liter może być przetłumaczona na 20-litrowy alfabet białek. Trzy kolejne nukleotydy odpowiadające za kodowanie aminokwasów znajdujące się w DNA nazywają się tripletem. Właściwości kodu genetycznego: 1.trójkowy tzn 3 nukleotydy kodują czyli decydują o przyłączenie określonego aminokwasu 2.zdegenerowany -nadwymiarowy tzn wszystkie aminokwasy z wyj metioniny i tryptofanu kodowane są przez więcej niż 1 kodon. Kodon -3 kolejne kodony odpowiadające za wprowadzenie tych samych aminokwasów są podobne i nazywają się synonimowe. Różnice dotyczą tylko 3-ciej litery kodonu określonej jako pozycja tolerancji. Degeneracja czyli nadwymiarowość kodu gen jest b. korzystna gdyż minimalizuje skutki mutacji, ponieważ nie każda zmiana w sekwencji zasad w DNA i RNA może spowodować zmianę kolejności ułożenia aminokwasów w białku. Spośród 64 możliwych kodonów 61 koduje aminokwasy, pozostałe 3 kodony: UAG, UGA oraz UAA nie kodują żadnego aminokwasu, nazywają się kodonami stop lub terminacyjnymi. Są one sygnałami do zakończenia biosyntezy białka. Kodonem rozpoczynającym biosyntezę białka nazywamy kodonem start i jest to kodon metioniny AUG. 3.nie jest w pełni uniwersalny -początkowo uważano, że kod gen obowiązuje u wszystkich żywych org czyli te same trójki nukleotydów koduja te same aminokw. Okazało się że np. w mitochondriach w kt znajduje się ok. 20 genów wyst odstępstwa od uniwersalności kodu gen, bo kodon UGA, kt jest kodonem terminacyjnym w mitochondriach koduje tryptofan. 4.bezprzecinkowy -pomiędzy poszczególnymi trójkami nie ma żadnych przerw i znaków 5.niezachodzący -nukleotyd znajdujący się w danym triplecie nie zachodzi na kolejną trójkę.
Transkrypcja rozpoczyna się od rozplecenia podwójnej helisy DNA. Dwie nici, dwa łańcuchy DNA nazywane są odp nicią matrycową i nicią niematrycową. RNA syntetyzowany jest na nici matrycowej. Syntetyzowana na nici matrycowej cząst RNA nazywa się transkryptem. Transkrypt może ulegać translacji jako mRNA, może być wykorzystywany do budowy rybosomów jako rRNA lub może być wykorzystywany do transportu aminokwasów jako tRNA. Początkowo na cząst DNA w jądrze kom powstaje transkrypt zwany premRNA lub heterogennym RNA. Zawiera on sekwencje nukleotydów kodujące białko czyli egzony i nie kodujące białka introny. Przekształcenie się heterogennego RNA w matrycę do syntezy białka nazywa się dojrzewaniem, w czasie kt powst ostateczna matryca. W czasie dojrzewania usuwane są m.in. introny. Proces polegający na usuwaniu intronów nazywamy składaniem genów lub splicing. Po splicingu dojrzały mRNA w kt znajduja się tylko egzony przechodzi do cytoplazmy, gdzie funkcjonuje jako matryca do syntezy białka.
tRNA (transportujący, transferowy) zbud jest z niewielkiej liczby nukleotydów: 70-90 i w czasie translacji przenosi aminokwasy do rybosomów na kt znajduje się mRNA. W czasie translacji przyjmuje strukturę II-rzędową i ma kształt liscia koniczyny. Cząst tRNA posiada 2 ramiona -ramię akceptorowe za pomocą kt przyłącza odpowiedni aminokwas i ramię antykodonowi rozpoznające kodony w mRNA. rRNA czyli rybosomowy RNA, z tego RNA i białka zbudowane są rybosomy. Rybosomy znajd się w cytoplazmie. Na rybosomach osadza się po opuszczeniu jądra kom mRNA.
Translacja -w jej czasie inf zakodowana w cząst mRNA zostaje wykorzystana do ustalenia kolejności aminokwasów w białku. W czasie translacji na matrycy mRNA, kt znajduje się na rybosomach, budowany jest łańcuch polipeptydowy. Synteza polipeptydu rozpoczyna się od aminokw metioniny. Nast. do rybosomy na kt znajduje się mRNA, dostarczany jest kolejny aminokwas przez właściwy tRNA, kt antykodon jest komplementarny do drugiego kodonu mRNA. Po wprowadzeniu dwóch aminokwasów powstaje między nimi wiązanie peptydowe i rozpoczyna się synteza łańcucha polipeptydowego, kt trwa do momentu, kiedy rybosom obejmuje jeden z trzech kodonów stop. Z chwilą osiągnięcia kodonu stop nast. zakończenie translacji, uwolnienie łańcucha polipeptydowego. Łańcuch polipeptydowy podlega obróbce potranskrypcyjnej i zostaje uformowana cząst białka. Gen -odcinek DNA, kt podlega transkrypcji (syntetyzuje białko). Produktem genu jest białko, wielkość genu mieści się w szerokich granicach od kilkuset do ponad 2 mln par zasad. Mały gen składający się z 660 nukleotydów koduje białko składające się z 223 aminokw. |
Allel jest to jedna z wersji genu w określonym miejscu (locus) na danym chromosomie homologicznym. Allele tego samego genu różnią się jednym lub kilkoma nukleotydami. Występowanie więcej niż jednej wersji danego genu określa się jako polimorfizm. Dzięki zdegenerowaniu kodu genetycznego tylko część tych różnic przekłada się na różnice w budowie kodowanych białek. Powoduje to zróżnicowanie właściwości cząsteczek białka kodowanego przez różne allele jednego genu. Allele mogą być dominujące (oznaczany zwyczajowo wielką literą i kursywą: A) lub recesywne (oznaczany: a). W heterozygocie efekt działania allelu dominującego sprawi, że obecność allelu recesywnego nie będzie manifestowała się (fenotyp dominujący). Obecność alleli recesywnych ujawnia się tylko przy braku alleli dominujących. Allele mogą też być kodominujące, jak to jest w przypadku grup krwi. Gen - odcinek DNA nadający komórce zdolność do tworzenia jakiegoś RNA (różnych mRNA, tRNA, rRNA i in.), a pośrednio kodujący zwykle także jakieś białko (za pośrednictwem mRNA; mRNA określa budowę określonego białka, a tRNA i rRNA to cząsteczki pomocnicze uczestniczące w tworzeniu białek kodowanych w różnych mRNA; poszczególne rodzaje ogromnie zróżnicowanych cząsteczek mRNA zakodowane są w różnych genach). Dojrzewanie polega na obróbce przez enzymy. Odcinek DNA kodujący białko porozdzielany jest odcinkami przerywnikowymi. Na zmianę biegną sekwencje kodujące aminokwasy, czyli egsomy i sekwencje przerywnikowe introny, kt są usuwane podczas syntezy białka. Kod genetyczny odczytywany jest jedynie z połączenia ze sobą sekwencji egsomów. Genotyp - zespół genów danego osobnika warunkujących jego właściwości dziedziczne. Jest to sparowany układ alleli (często myli się go z genomem, czyli składem genetycznym danego organizmu). Można go wyrazić symbolicznie za pomocą oznaczeń aa, AA lub Aa, gdzie aa i AA oznaczają homozygotę pod względem tego genu, a Aa oznacza heterozygotę. Fenotyp (gr. phainomai - przejawiać; typos - wzór, norma) to najogólniej mówiąc zespół cech organizmu, włączając w to nie tylko morfologię, lecz również np. właściwości fizjologiczne, płodność, zachowanie się, ekologię, cykl życiowy, zmiany biologiczne, wpływ organizmu na środowisko. Fenotyp jest ściśle związany z genotypem, bowiem to właśnie oddziaływanie między genotypem a środowiskiem daje fenotyp. Dlatego ten sam genotyp może dać różne fenotypy w różnych środowiskach (tzw. plastyczność fenotypowa), lub odwrotnie - mimo odmiennych genotypów uzyskać ten sam fenotyp. Teoria chromosomowa: 1)cechy (geny) podlegają prawom Mendla 2)gen jest jednostką materialną zlokalizowana w chromosomie 3)gen jest jednostką dziedziczności zlokalizowana w chromosomie 4)geny są zlokalizowane w chromosomach i ułożone w nich liniowo, podobnie jak paciorki na nitce 5)geny leżące w jednym chromosomie są sprzężone, stanowią jedną grupę sprzężeń, każdy z genów ma ściśle określone miejsce locus na chromosomie 6)istnieje różnica między chromosowymi garniturami gamet żeńskich i męskich (np. samce niektórych owadów mają o 1 chromosom mniej) 7)gen jest jednostką niepodzielną 8)gen jako całość jest jednostką mutacji, np. „A” mutuje w „a” lub rzadziej „a” w „A” 9)zjawisko crossing-over jest to wymiana pewnych odcinków par biwalentów, jest przyczyną powstawania rekombinatów. Gen to najmniejszy fragment kt ulega wymianie w crossing-over. C-o w jednym chromosomie jest proporcjonalna do odległości między genami znajdujący się w tym chromosomie. Im większa to odległość tym bardziej prawdopodobne jest przerwanie się chromosomu na tym odcinku i wystąpienia w konsekwencji zjawiska wymiany odcinków 10)na podstawie częstości wymiany można wnioskować o oddaleniu genów w chromosomie (opracowanie map genetycznych chromosomów) 11)sąsiedztwo genów wpływa na efekty tych genów, a więc na wywołanie przez nie cechy organizmu, jest to tzw efekt położenia. DZIEDZICZNOŚĆ, odtwarzanie w procesach rozrodu i rozwoju osobniczego potomstwa o takich cechach, jak wyjściowe formy rodzicielskie; stanowi podstawową właściwość organizmów żywych; wszelkie cechy organizmów — morfologiczne, fizjol., biochem. czy psych. — są uwarunkowane dziedzicznie, a jednocześnie wiele z nich w pewnym stopniu zależy też od warunków środowiska; nie dziedziczą się gotowe cechy, kształtują się one w reakcji organizmu na wpływy środowiska. Podstawowe prawa dziedziczności sformułował 1866 G. Mendel, którego uważa się za twórcę nauki o dziedziczności genetyki; stwierdził on, że poszczególne właściwości zależne są od specjalnych czynników dziedzicznych, nazwanych później genami; przy powstawaniu komórek płciowych, gamet, geny ulegają segregacji i z połączenia się gamet w procesie zapłodnienia powstają osobniki o różnych kombinacjach genów ojcowskich i matczynych ( Mendla prawo). Zespół genów wyznaczających właściwości dziedziczne organizmu nazwano genotypem, a zespół powstałych u osobnika właściwości — fenotypem. Dalsze badania na pocz. XX w. wykazały, że geny występują w jądrach komórkowych w chromosomach, gdzie są ułożone liniowo w ściśle określony dla danego gat. sposób (chromosomowa teoria dziedziczenia). W ostatnich dziesiątkach lat udowodniono, że geny są to cząsteczki DNA — kwasu deoksyrybonukleinowego; składa się on z 4 typów jednostek, zw. nukleotydami, powiązanych w długie łańcuchowe cząsteczki; DNA każdego genu ma określoną kolejność (sekwencję) ułożenia nukleotydów wzdłuż łańcucha, co stanowi zapis dziedziczny (informacja genetyczna) zdolności organizmu do syntezy określonego typu białka. DNA stanowi wzorzec (matrycę) dla syntezy matrycowego (informacyjnego) kwasu rybonukleinowego (mRNA), który jest bezpośrednim wzorcem dla syntezy białek (biosynteza białka, kod genetyczny). Jakość i ilość wytwarzanych przez organizm białek, zwł. enzymów, decyduje o przemianie materii organizmu, a więc o jego wzroście i różnicowaniu się, co w rezultacie daje zespół jego właściwości fenotypowych. Stałość właściwości dziedzicznych organizmu wynika ze zdolności DNA do samoodtwarzania przy każdym podziale komórki identycznych cząsteczek potomnych DNA o tej samej kolejności nukleotydów (replikacja DNA). Zmiany właściwości dziedzicznych, czyli mutacje, powstają wskutek zmian w zapisie genet. DNA poszczególnych genów lub zmian w układzie genów w obrębie chromosomów. |
|
REPLIKACJA Budowa i kształt cząst DNA umożliwiają proces replikacji. Dzięki swojej budowie DNA spełnia warunki potrzebne do tego, że nast. jego odtwarzanie, a tym samym, ze jest subst dziedziczną. Proces replikacji odbywa się w interfazie cyklu życiowego kom. Interfaza dzieli się na: *fazę G1,w kt kom rosną i nast. przygotowanie dużej liczby enzymów potrzebnych do syntezy DNA *fazę S, w kt odbywa się samoodtwarzanie czyli proces powielania DNA *fazę G2, w kt odbywa się synteza białek i przygotowanie kom do podziału. W czasie replikacji nast. podwojenie, samopowielanie DNA i inf genetyczna przekazywana jest z jednej cząst do drugiej. W wyniku mitozy powielany materiał genetyczny przechodzi do kom potomnych, a w mejozie poprzez gamety z jednego pokolenia na drugie. Dziedziczenie na poziomie molekularnym zachodzi w procesie replikacji, inf genetyczna przekazywana jest z jednej cząst DNA do drugiej, z kom do kom, z pokolenia na pokolenie. Przebieg replikacji. W podwójnej helisie dwa łańcuchy polinukleotydowe połączona są wiązaniami wodorowymi. Gdy wiązania wodorowe między komplementarnymi zasadami A-T i C-G pękają to cząst DNA traci strukturę dwurzędową i przyjmuje pierwszorzędową. Dwa łańcuchy wyprostowane odsuwają się od siebie. Każdy łańcuch może służyć jako matryca do syntezy identycznej kopii. Rozdzielone stare łańcuchy są dokładnie kopiowane na zasadzie komplementarności w czasie replikacji. W procesie replikacji bierze udział wiele enzymów, z kt najważniejszym jest polimeraza. Gdy dwa łańcuchy polinukleotydowe są rozsunięte wówczas polimeraza wychwytuje je z cytoplazmy nukleotydu i wolne wiazania łańcuchów nukleotydowych przyłączają na zasadzie komplementarności określona nukleotydy. Replikacja jest procesem semikonserwatywnym tzn synteza nowych łańcuchów odbywa się z zachowaniem łańcuchów starych. Replikacja obejmuje dwa zasadnicze etapy: 1)rozplecenie podwójnej helisy 2)odbudowanie (kopiowanie) komplementarnych łańcuchów polinukleotydowych. Rozpoczyna się w ściśle określonym miejscu origin. Region w kt dwuniciowa helisa rozplata się i nast. synteza nowego DNA nazywamy widełkami replikacyjnymi. Odcinek DNA podlegający replikacji nazywa się replikantem. Zawiera on miejsce rozpoczęcia replikacji on oraz sekwencję do niego przyległe. Chromosom bakterii ma kształt kolisty i znajduje się w nim tylko jedno miejsce w kt rozp się replikacja. Synteza nowych komplementarnych łańcuchów przebiega w obu kierunkach kolistej cząst w ten sposób, że widełki replikacyjne przesuwają się coraz dalej od miejsca startu replikacji odsłaniają coraz to nowe odcinki pojedynczych łańcuchów DNA. W chromosomach org wyższych replikacja rozpoczyna się w kilku miejscach jednocześnie wzdłuż chromosomu. W każdym chromosomie jest wiele replikantów. Org dzielą się na dwa podkrólestwa: procariota i eucariota. Zasadniczą różnicą pomiędzy tymi grupami jest obecność jądra kom. U procariota (bakterie i sinice) brak jest jądra kom. Wyst zamiast jądra nukleotyd. Są to organiczne związki chemiczne, estry nukleozydów i kwasu ortofosforowego(V), (5'-fosforany nukleozydów), podstawowe składniki strukturalne kwasów nukleinowych (DNA i RNA).Zbudowane są z reszty cukrowej - pentozy (w DNA jest to deoksyryboza, zaś w RNA - ryboza),co najmniej jednej reszty fosforanowej i zasady azotowej. Zawieszone w cytoplazmie chromosomy bakterii mają najczęściej kształt kulisty, a u eucariota w przeciwieństwie do bakterii i sinic wyst wyraźne wyodrębnienie jądra kom, chromosomy i organelle (plastydy, mitochondria) kt brak jest u procariota. Mechanizm replikacji. Na jednej nici replikacja odbywa się w sposób ciągły od węgla 5' do 3'. Nić potomna syntetyzowana na starej nici w sposób ciągły nazywa się nicią wiodącą. Nie znaleziono dotychczas polimerazy, kt umożliwia synteze nowej nici w sposób ciagły od węgla 3' do 5'. Badanie japończyka Okazaki wykazało że replikacja nowej nici od węgla 3' do 5' przebiega w sposób nieciągły w postaci fragmentów. Te fragmenty na cześć jego odkrywcy zostały nazwane fragmentami okazaki, kt są później połączone za pomocą enzymu ligazy i tworzą nić opóźnioną, kt jest syntetyzowana w sposób nieciągły. |
|
REGULACJA EKSPRESJI GENÓW Koncepcję operonu zaproponowali po raz pierwszy w 1961r Jacob i Monad. Wg tej koncepcji operon jest jednostką prokariotycznej ekspresji genów kt zawiera koordynujące regulowane geny (geny struktury) i elementy kontrolne rozpoznawane przez produkty genu regulatorowego. Najbardziej znany jest operon laktozowy -geny lacZ, lacY, lacA są elementami jednostki transkrypcyjnej, kt nazywa się laczka będącej pod kontrolą jednego promotora. Kodują one enzymy potrzebne do metabolizmu laktory wykorzystywane jako źródło węgla. Represor lac jest produktem genu lac, który stanowi oddzielną jednostkę transkrypcyjną. Model operonu. Ilość DNA we wszystkich komórkach somatycznych budujących org jest stała i charakterystyczna dla gatunku. Taka sama ilość DNA i taka sama inf gen znajdujące się np. w kom wątroby, nerek czy nabłonka a przecież się różnią one wyglądem ale przede wszystkim funkcjami jakie pełnią. Różnią się zaw białek strukturalnych i enzymatycznych. W kom nerwowych niektóre białka są syntetyzowane częściej np. niż w mięśniowych. Białka są też obecne w neuronach, a niektórych białek brak w kom mięśni. Przewód pokarmowy i produkcja enzymów trawiennych: geny warunkujące prod enzymów trawiennych są aktywne tylko w PP. jeden z enzymów -laktoza jest produkowany w okresie niemowlęcym, kiedy to dziecko odżywia się mlekiem. Później jego aktywność się zmniejsza, zwłaszcza u ludzi pijących mało mleka. Muszą więc istnieć mechanizmy, kt powodują że określone geny nie działają w kom stale lecz włączają się w miarę potrzeby. Wyróżniamy 2 kategorie genów: 1.geny struktury, kt syntetyzują (kontrolują synteze) RNA, tzn mRNA, tRNA i rRNA. Zawierają one inf o budowie białek. 2.geny regulatory -regulujące działanie genów struktury. Gdyby wszystkie geny podległy jednocześnie transkrypcji i translacji czyli ekspresji, to w kom występowałyby zawsze te same ilości białek. Tak oczywiście nie jest. Różne białka wyst w różnych ilościach, jedne produkowane są ciagle, inne pojawiają się w kom w zależności od jej stanu fizjologicznego, cyklu podziałowego, czy też pod wpływem innych bodźców, np. u bakterii zależnie od składu pożywki. Bakterie mogą wykorzystywać jako pokarm różne cukry np. glukozę czy laktozę. Stwierdzono ze bakterie mogą korzystać z glukozy zawsze, niezależnie od wcześniejszych warunków wzrostu. Inaczej hodujemy bakterie na pożywce bez laktozy, a nast. przenosimy je na pożywkę zaw ten cukier to nie od razu bakteria potrafi z niego korzystać. Wynika z tego ze bakterie zawsze produkują enzymy potrzebne do wykorzystania glukozy, natomiast w przypadku laktozy enzymy potrzebne do jej wykorzystania produkowane są wtedy gdy jest ona w pożywce. U bakterii pewne białka są produkowane zawsze i niezależną od składu pożywki i nazywają się białkami konstytutywnymi. Są tez białka, kt wytwarzane są tylko wówczas gdy w pożywce jest odp substrat np. laktoza. Te białka nazywają się białkami indukcyjnymi. Laktoza jest reduktorem tych białek. Na tej podstawie opracowany został model operonu laktozowego. U bakterii wiele genów jest zorganizowanych we wspólnie działające, wspólnie regulowane jednostki zwane operonami. Operon laktozowy zbudowany jest z 3 genów struktury: lacZ, lacY i lacA genu operatora i genu promotora. Operon laktozy zbud z 3 genów funkcjonuje w uproszczeniu nast.: Gen lacZ koduje enzym β-galaktozydazę, kt rozkłada laktozę do galaktozy i glukozy. Gen lacY koduje enzym permeazę odpowiadającą za transport i pobranie laktozy przez błonę kom bakteryjnej. Gen lacA -funkcja nie jest do końca wyjaśniona, uważa się, że odp za wykorzystanie cukrów prostych. Geny lacZ, lacY i lacA położone są obok siebie i tworzą region kodujący. Do tych genów przylega gen operator i promotor tego genu -tworzą oba region kontrolny. Obok tych genów znajduje się gen regulator lac1. Operon jest to więc zespół genów, kt może być wyłączony lub włączony. Gen regulator lac1 ulega ekspresji i koduje białko zwane represorem. Gdy w pożywce brak laktozy, białko represora łączy się z operatorem i nast. zablokowanie operonu. Geny struktury Z, Y i A nie kodują enzymów. Jeśli w pożywce jest laktoza to łączy się z białkiem represorowym, zmienia jego układ, białko to staje się nieaktywne i nie łaczy się z operatorem. Nast. odblokowanie operatora i zaczynają działać geny struktury Z, Y i A i zachodzi synteza enzymów. Regulowana jest więc ekspresja nie jednego genu ale całego operonu. W operonie laktozowym mRNA jest policystonowe tzn że składa się z 3 genów: Z, Y i A. gen lac syntetyzuje jeden enzym i nazywa się cistonem. U eukariota operony nie występują. Regulacja funkcjonowania genów jest b. złożona niż u eukariota. Mianowicie synteza RNA. Synteza RNA czyli transkrypcja zachodzi w jądrze na DNA chromatyny, nast. cząst DNA ulegają obróbce -dojrzewaniu, są wycinane cistony. Regulacja syntetyzowania DNA występuje na rybosomach. Regulacja ma miejsce na poziomie transkrypcji i translacji. Ekspresja genów u eukariota podlega czynnikom siedliskowym np. chlorofil syntetyzowany jest tylko w obecności światła. Czynnikiem regulującym może być też temp np. proces jaryzacji jest kontrolowany genetycznie, ale zależy od temp. Rośliny ozime muszą przejść przez fazę niskich temp, ponieważ temp aktywuje geny warunkujące geny warunkujące jaryzację. U zwierząt czynnikiem regulującym mogą być hormony -mogą powodować aktywacje genów. Znanych jest wiele fitohormonów -auksyny, gibereliny, cytokininy i to one wpływają na rozwój rośliny. Reasumując regulacje genów w komórce może być włączona lub wyłączona. Niektóre geny w miarę zróżnicowania się kom i powst tkanek zostają wyłączone. W zygocie powstały z połączenia kom jajowej i plemnika znajd się zespół genów obojga rodziców. W miarę różnicowania się zygoty nast. stopniowe wyłączenie się jednych genów a włączenie innych. Kolejnym przykładem jest długość dnia -rośliny dnia długiego przeniesiemy do miejscowości dnia krótkiego to widocznym efektem zmiany ekspresji genów będzie nie wytwarzanie pędów generatywnych a więc geny nie mogą być włączone w warunkach dnia krótkiego i długiej nocy. Reasumując odpowiednio zmienność, proporcja dnia i nocy działają jako bodziec do włączania genów warunkujących fotoperiod. |
POZIOM UPAKOWANIA DNA W CHROMOSOMACH Kryterium podziału org na 2 grupy: procariota i eucariota jest obecność wyodrębnionego jądra kom. U procariota zamiast jądra kom jest nukleoid -kwas DNA zanurzony w cytoplazmie. W chromosomie bakteryjnym ponad 90% to czysty DNA. Pozostałe 10% to białka i RNA. Cząst DNA w chromosomie bakterii jest upakowana. Cząst ponad 12,6 mm, skrócona jest ok. 1000-krotnie. Porównując długość chromosomu bakteryjnego bezwzględna dł DNA, kt się w nim znajduje, widać że cząst DNA wyst w genomie w formie upakowanej. Chromosom u bakterii ma kształt kolisty i nazywa się nukleoid. Różnice między eucariota i procariota są duże. U procariota brak centromeru, wrzeciona podziałowego, mitochondriom, plastydów, lizosomów. Brak formy diploidalnej, brak też podziału redukcyjnego. W jądrze kom znajduje się chromatyna, kt można zaobserwować pod mikroskopem w jądrze interfazowym. W trakcie podziału chromatyny różnicują się chromosomy. W interfazie chromatyna jest skondensowana dzięki temu w chromosomie DNA jest max skrócony. Skład chromatyny: 37% DNA, 37% histony, 24% białka niehistonowe, 1,5% RNA. Histon H1 pełni funkcje strukturalne, chromatyna zbudowana jest z powtarzających się jednostek -nukleosomów. Nukleosom zbud jest z 8 cz histonów, po 2 każdego: H2A, H2B, H3, H4. poza tym nukleonom zbudowany jest z 1 cząst histonu H1 oraz odcinka DNA długości 165-245 par zasad. Nukleonom można wyizolować z chromatyny trawiąc ją enzymami, kt nazywają się nukleazy. Traktując nukleonom nukleazą uzyskuje się kolejną strukturę chromatyny kt nazywa się chromatosem. Jest to cząst składająca się z oktamera białkowego i odcinka DNA o dł 165 par zasad. Kolejne trawienie chromosomu enzymami prowadzi do wyodrębnienia jeszcze mniejszej części DNA zwanej rdzeniem nukleosomu. Rdzeń przypomina walec o średnicy 11nm i grubości 5,7nm. Nukleosomy powtarzają się wzdłuż nici DNA najczęściej co 200 nukleotydów. Nukleosomy ułożone są w szereg tworząc strukturę podobną do sznura korali o śr 10nm -ta struktura nazywa się nukleofilament. Włókna te są zwinięte w postaci spirali i tworzą walec o śr 30nm -struktura ta nazywa się solenoid. Na jeden skręt przypada 6 nukleosomów. W mikroskopie elektronowym widoczny jest obraz w postaci zygzaka bo nić DNA nie przechodzi przez środek rdzenia tylko oplata go pod róznym kątem. Solenoid pozwala na skrócenie DNA w przybliżeniu 40x. 7x przez owiniecie na rdzeniu nukleosomu i 6x przez upakowanie w solenoidzie. Solenoidy upakowane są z kolei w struktury wyższego rzędu i tworzą włókna o śr 3000nm. Jest to kolejny heliks utworzony w solenoidzie i nosi nazwę supersolenoid a także pętle lub domeny. Ostateczne skrócenie chromosomu osiągnięte jest przez kolejne struktury nukleosomu, solenoidu, supersolenoidu i heliksu utworzonego z supersolenoidu. Supersol są strukturą charakt dla skondensowanej formy chromatyny, kt możemy obserwować w metafazie i widocznych chromosomach metafazowych.
Chromatyna (DNA+białko)→6x nukleosom→40x solenoid→ supersolenoid→680x pętle (domeny)→1000x chromosom metafazy.
Chromatyna metafazowa posiada strukturę nukleosomu i solenoidu. Upakowanie DNA w chromosomie nie jest jednolite. Najdłuższy chromosom ludzki ma dł 10µm i zawiera odcinek DNA o dł 7,3 cm.
Pewne rejony chromatyny mają współczynnik upakowania jak w chromosomie metafazowym lub zbliżony. Chromatyna spełnia 2 funkcje: 1)bierze udział w przekazywaniu inf gen z kom do kom, funkcje te są związane z procesem replikacji 2)przekazywanie inf gen z DNA na mRNA a nast. białko -jest to funkcja o charakterze biochemicznym decydująca o przemianie materii i wszystkich funkcjach org. Ta funkcja jest ogromnie modyfikowana przez środowisko. W obrębie chromosomu wyróżnia się dwie chromatyny: euchromatynę i heterochromatynę. Heterochromatyna wyst w stanie skondensowanym, zbudowana jest z niekodujących sekwencji nukleotydowych, jej replikacja wyst w późniejszym okresie fazy S. Upakowanie DNA jest precyzyjnie zaplanowane i kontrolowane. Błędy w upakowaniu DNA są niebezpieczne dla org. |
MUTACJA [łac.], genet. nagła, trwała zmiana dziedzicznej właściwości organizmu, spowodowana zmianą w obrębie genu, w strukturze chromosomu lub genomu (zespół chromosomów), powstająca samorzutnie lub wywołana sztucznie (mutacje indukowane; mutageny). Mutacje genowe, czyli punktowe, prowadzą do powstania nowych form (allele) genów, wskutek zmian kolejności nukleotydów DNA genu; mogą zachodzić w wyniku zamiany jakiegokolwiek nukleotydu w inny, albo też wypadnięcia lub wstawienia 1 czy kilku nukleotydów; następstwem tego jest częściowa zmiana informacji genetycznej i zaburzenia w odczytywaniu kodu genetycznego, co może powodować np., że białko kodowane przez dany gen ma liczne niewłaściwie włączone aminokwasy, a zatem i in. właściwości biol.; w zależności od genu i organizmu częstość genowych mutacji samorzutnych wynosi od 1 na 10 tys. komórek do 1 na milion; powstają zarówno w komórkach płciowych, jak i in. komórkach ciała (mutacje somatyczne). Mutacje powstające samorzutnie — mutacje spontaniczne — są najczęściej wynikiem błędów w procesie replikacji DNA. Mutacje indukowane różnymi czynnikami fiz. i chem. są wynikiem uszkodzeń w DNA wywołanych mutagenami. Mutacje chromosomowe liczbowe, czyli mutacje genomowe, polegają na utracie lub występowaniu dodatkowych pojedynczych chromosomów — wskutek zaburzeń rozdziału chromosomów w mitozie bądź mejozie, albo na zwielokrotnieniu całego genomu — w wyniku zniesienia rozdziału wszystkich chromosomów (poliploidalność). Mutacje chromosomowe strukturalne aberracje chromosomów. Mutacje, gł. genowe, są podstawowym źródłem zmienności dziedzicznej oraz podstawą procesów selekcji i ewolucji. Mogą być niekorzystne dla organizmu (nawet letalne). Procesy mutagenezy są b. złożone i bierze w nich udział wiele enzymów. Opisane mutacje dziedziczą się zgodnie z prawami Mendla, ale występują też mutacje w DNA pozajądrowym (w mitochondriach, chloroplastach), które dziedziczą się w sposób niemendlowski. Termin mutacja wprowadził do genetyki 1901 H. de Vries
KODON, triplet, genet. 3 kolejne nukleotydy w łańcuchu DNA — kwasu deoksyrybonukleinowego lub mRNA — informacyjnego kwasu rybonukleinowego, wyznaczające przyłączenie określonego aminokwasu przy biosyntezie białka lub zawierające sygnał zakończenia syntezy polipeptydu.
mutacje chromosomów, genet. zmiany w strukturze chromosomów pociągające za sobą zmiany dziedziczne cech organizmu; występują spontanicznie w naturze, można je też wywołać sztucznie, działaniem czynników mutagenicznych (mutageny), np. promieni jonizujących; gł. typy aberracji chromosomów: delecja — utrata odcinka chromosomu (utrata końcowego odcinka — deficjencja), w stanie homozygoty najczęściej letalna; duplikacja — podwojenie odcinka chromosomu (2 identyczne odcinki leżą zwykle obok siebie); inwersja — odwrócenie odcinka chromosomu o 180°; translokacja — przeniesienie jednostronne lub wzajemne odcinków między 2 niehomologicznymi chromosomami.
Duplikacje - Zduplikowane fragmenty przybierają postać pętli ponieważ wstawione fragmenty chromosomów nie koniugują. Duplikacje powstają na skutek niesymetrycznego CO czyli wymiany nierównych odć chromosomów. Dupl. powodują podwojenie liczby genów, zmianę sąsiedztwa genów. Inwersje - Odwrócenie odć chromosomu wraz z zawartymi w nim genami. Inwersje heterozygotyczne tworzą tzw pętle inwersyjne których powstanie jest spowodowane dążeniem chromosomówigenów czasie koniugacji do dokładnego ułożenia się naprzeciw siebie. Delecje - mutacje polegające na utracie przez chromosom(y) niektórych odcinków. Powstają gamety i zygoty które są pozbawione dużych odć chromosomów. Mutacja ta ma char letalny. Jeżeli utracony fragm. Jest krótki gamety mogą być zdolne do normalnego zapłodnienia. Translokacja - mutacja polegająca na wymianie wzajemno - przemiennej. W przypadku trans heterozygotycznej powtają mieszańce strukturalne których chromosomy formują takie układy jak pętle i krzyże translokacyjne |
|