Komórka jest podstawowym elementem budulcowych organizmu, podst elem budulcowym organizmu człowieka jest KOMÓRKA EUKARIOTYCZNA; człowiek jest ORGANIZMEM EUKARIOTYCZNYM

Budowa komórki eukariotycznej:

1.Błona komórkowa

2.jądró komórkowe (tu jest kwas DNA)

3.cytoplazma(tu jest zawieszone jądro)

4.jąderko

5.mitochondria(tu występuje kwas mitochondrialny)

6.błony wewnątrzkomórkowe, rybosomy

KOMÓRKA to podstawowa jednostka organizmu:

-ulega przekształceniu w wyspecjalizowane narządy i tkanki, które tworzą układy pełniące określone funkcje biologiczne

-momentem zapoczątkowującym rozwój człowieka jest połączenie komórki jajowej z kom plemnikową;

Zapłodniona kom jajowa(zygota) to zygota TOTIPOTENCJALNA,tzn daje ona początek wszystkim kom organizmu

-w ontogenezie człowieka powstaje ponad 200 rodzajów różnych typów komórek(człowiek na 10bilionów kom)

Cechy komórek żywych:

rosną(wzrost);dzielą się(proliferacja)w procesie mitozy;różnią się (cytodyferencja).

Zróżnicowane komórki charakteryzują różne fenotypy i różne funkcje biologiczne.

PODSTAWOWE TYPY KOMÓREK:

nerwowe,mięśniowe,kostne,gruczołowe,krwi,jajowa i plemnikowa.

Nagroda Nobla za odkrycie zarodkowych komórek macierzystych 2007/Mario R.CapecchiUSA/Martin J.Evans(WB)/Oliver Smithies(USA).

Cechy komórek macierzystych:

-nieograniczone podziały

-zdolność do różnicowania.

Druga połowa XXw oraz pocz.XXIw to początek genetyki i biotechnologii.

Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii 2010,prof.Robert Geoffrey Edwards za fundamentalne prace w zakresie embriologii człowieka, które umożliwiły opracowanie technologii zapłodnienia In vitro

KOMÓRKI MACIERZYSTE

ulegają replikacji (pomnożeniu); różnicowanie(te komórki mogą różnicować się na różne komórki)

TYPY KOM MACIERZYSTYCH:

1.totipotencjalne-mogą różnicować się do każdego typu kom organizmu

2.pluripotencjalne-mogą różnicować się do wszystkich komórek poza kom totipotencjalnymi.

3.multipotencjalne-różnicują się w komórki jednego listka zarodkowego, np. kom szpiku,krwi,mięśni (z mezodermy)

4.unipotencjalne-różnicują się w komórki jednego typu

TOTI->PLURI->krwi(biale,czerwone) oraz mięśniowe,nerwowe,kostne etc.

Wykorzystywanie kom macierzystych do celów terapeutycznych:

-leczenie chorób układu krążenia, chorób neurologicznych,okulistycznych, białaczek,nowotworów,cukrzycy

-kom krwi pępowinowej-prof dr hab. Krystyna Domańska-Janik pozyskiwanie kom pluripotencjalnych

-przeszczepy(autogeniczne-kom z własnego organizmu/allogeniczne-kom z obcego org

Polski Bank Kom Macierzystych – Centrum Zdrowia Dziecka

-laboratoryjne pochodne kom mac – klonowanie terapeutyczne(jak kom mac wykorzystywać do celów terapeutycznych)

zapłodniona kom jajowa->kom toti (potomne)->blastocysta-> pluri(dzialanie poza organizmem)/krwi etc

Kom mac - można kierować ich dalszym wzrostem przez dodawanie odpowiedniego czynnika wzrostowego – nazywa się to różnicowanie kontrolowane.

W 2006 Shinya Yamanaha z uniwersytetu w Kioto przeprogramował kom skóry myszy w indukowane kom mac (iPSC) nie korzystając z oocytów ani zarodków, wykorzystał fragm. Skóry aby uzyskać określoną tkankę np. do przeszczepów

-terapia komórkowa

-przekształcenie iPSC pochodzących od chorego pacjenta w zdrowe kom które można wszczepic tej osobie.

Ekspresja genów:

Gen to odcinek DNA który zawiera inf biologiczna, koduje RNA i/lub białko.

Struktura DNA:

dwuniciowy, helisa alfa, komplementarność zasad T=A, C=G,

zlokalizowany w jądrze kom lub mitochondrium

3 POZIOMY EKSPRESJI GENÓW

polimerazy DNA zalezne od RNA

1.replikacja DNA – powielenie materiału genetycznego przez polimerazy DNA które katalizują przepisanie sekwencji nukleotydów w DNA na nić potomną DNA

-odbywa się to na zasadzie komplementarności zasad (a-t,c-g)

2.transkrypcja

-przepisanie sekwencji DNA na komplementarną nić RNA

STRUKTURA RNA(jednoniciowy, uracyl/urydyna zamiast tyminy, ryboza, polimerazy RNA zależne od DNA)

-komplementarność A-U,C-G

Rodzaje RNA

-kodujące mRNA(kodujące białko 4% całego RNA)

-niekodujące tRNA-ważne dla różnicowania komórek

3.translacja-biosynteza białka

-łączenie aminokwasów wiązaniami peptydowymi w kolejności zgodnej z kodem genetycznym zapisanym na mRNA

-w procesie zaangażowane są enzymy i czynniki translacyjne, w białkach występuje 20 aminokwasów

Kolejność aminokwasów w białku jest uzależniona od zasady komplementarności. Kolejność aminokwasów w białkach decyduje o konformacji białka, a ta decyduje o funkcji białka: hemoglobina, insulina, mioglobina, priony.

ZASADA KONFORMACJI BIAŁEK:

Centralny dogmat materialny biologii molekularnej:

-kierunek przenoszenia inf genetycznej

-DNA< > RNA > Białko

Retrowirusy-mają w swoim składzie RNA i po wniknięciu do organizmu przepisują informację z RNA na komplementarną nić DNA

GENOMY:

genom-całkowity DNA komórki/organizmu obejmujący zarówno geny (części kodujące) jak i nie kodujące.

U człowieka wyróżniamy:

-genom jądrowy-ponad 3 miliardy par zasad

-genom mitochondrialny-16569 par zasad

-genom jądrowy człowieka rozwiązano w latach 2001/03

Genom człowieka:

-w genomie tym zidentyfikowano ok. 40 tys genów

-1,5% genomu a pozostałe DNA nie zawiera elem kodujących

HGP-Human Genome Project

-badania trwały od 1990 i doprowadziły do:

*poznania sekwencji nukleotydowej genomowego DNA (sekwencjonowanie DNA,poznanie ludzkiego genomu przybliży nam poznanie zasad nukleotydowych zasada po zasadzie)

*identyfikacji genów człowieka, prof. Colins

*zdeponowania uzyskanych informacji w bazach danych komputerowych

Badania miały trwać do 2005 jednak trwały krócej ze względu na to że zostały zautomatyzowane oraz - rywalizację dwóch grup badawczych:

1.Projekt rządowy z siedzibą NIH (Narodowy Instytut Zdrowia) w USA

2.Projekt prywatny Craig Venter (Celera Genomics)

-publikacja prac w czasopismach

1.15lutego 2001 – Nature – praca projektu rządowego

2.16 lutego 2001 – Science – praca Celera Genomics

Po tym obie grupy zaczęły ze sobą współpracować.

PCR – Polymerase Chain Reaction (łańcuchowa reakcja polimeracji)

-szybka metoda kopiowania i powielania(amplifikacja) specyficznych sekwencji DNA – genów

Nagroda Nobla 1993 Mullis USA

-wykorzystywanie oligonukleotydów (krótkie fragm. DNA) komplementarnych do końcowych sekwencji powielanego fragmentu DNA (struktury DNA) wiąże się do końca nici nukleotydowych DNA

-wyjściowy DNA (zasady połączone komplementarnie) rozdziela się od siebie

-enzymy katalizują proces polimeryzacji

ZASTOSOWANIE REAKCJI PCR

1.wykrywanie mutacji towarzyszących chorobom genetycznym

2.identyfikacja wirusów i bakterii chorobotwórczych

3.w badaniach prenatalnych do określenia płci embrionów.

GENOMIKA – dział biologii molekularnej zajmujący się identyfikacją genów (Thomas Roderick 1986)

TRANSKRYPTOMIKA – dział biologii molekularnej zajmujący się poznaniem mechanizmów przebiegu oraz regulacji procesów transkrypcji

TRANSKRYPTOM-całkowity skład mRNA komórki/organizmu

PROTEOMIKA-dział biologii molekularnej zajmujący się identyfikacją białek oraz poznawaniem procesów/mechanizmów biosyntezy białka

PROTEON-całkowity skład białkowy komórki/organizmu

GENOMIKA PORÓWNAWCZA:

-jej powstawanie wiąże się z poznaniem sekwencji genomów bakterii, grzybów, muszki owocowej,nicieni, przedstawicieli kręgowców – organizmy modelowe

-doprowadziły one do powstania genomiki porównawczej, która umożliwia poznanie i pełniejsze zrozumienie biologii różnych organizmów.

GENY EUKARIOTYCZNE:

-są nieciągłe(mozaikowe, podzielone)

-zawierają odcinki kodujące-eksony

-zawierają odc niekodujące – introny

-po transkrypcji w powstałym prekursorowym RNA (preria nie jest to RNA który będzie brał udział w przepisywaniu białek, jest to RNA dojrzewający odcinki niekodujące są wycinane a eksony łączone w reakcji „splicingu”

Alternatywny splicing:

-geny z wieloma intronami

-niektóre kodony mogą być pomijane, to decyduje o tym, że białko jest krótsze, zmienia się jego funkcja

-dzięki temu białek w kom może być bardzo dużo

-alternatywny splicing prowadzi do zwiększenia liczby białek w kom

EKSPRESJA GENÓW:

-zróżnicowane komórki zachowują pałną inf genetyczną

-zróżnicowanie kom wynika z selektywnej ekspresji genów a nie zmian wartości materiału genetycznego

-niektóre geny ulegają stałej ekspresji- geny konstruktywne (house keeping gens) – geny metabolizmu podstawowego – histony rRNA i tRNA, elementy cytoszkieletu

EKSPRESJA GENÓW W KOM ZRÓŻNICOWANYCH:

-zróżnicowanie komórek w trakcie rozwoju zachodzi pod wpływem czynników regulacyjnych: jak hormony, czynniki wzrostu, enzymy, jony wapnia. Czynniki te wpływają na ekspresję ściśle określonych genów, a aktywność określonych genów decyduje o syntezie specyficznych białek, z kolei białka decydują o fenotypie danej komórki

-różnicowanie jest związane z ekspresją niewielkiej liczby genów. W niektórych komórkach zaledwie 0,5% genów ulega ekspresji. W niektórych dochodzi do syntezy głównie jednego białka np. w erytrocytach produkowana jest hemoglobina

MORFOGENEZA-KSZTAŁTOWANIE POSTACI OSOBNIKÓW:

-rozpoczyna się od pojedynczej komórki i prowadzi do powstania organizmy wielokomórkowego

-osobnika zdolnego do reprodukcji, pełnienia wszystkich funkcji fizjologicznych i reagowania na bodźce środowiska

-mechanizmy sterujące rozwojem są pod kontrolą genetyczną – rozwój jest wynikiem określonego ciągu ekspresji genów(genomu)

geny homeotyczne, genypax

-z wiekiem obserwuje się spadek liczebności komórek macierzystych jak i ich potencjału różnicowania

BUDOWA CHROMOSOMU:

-ch są zbudowane z DNA i białek

-na nich znajdują się ułożone liniowo geny, które mają stałe miejsce (locus) na nici DNA

-chromosomy składają się z 2 chromatyd (chromatyda to inaczej chromosom siostrzany)

-w kom somatycznych obecne są pary chromosomów homologicznych, jeden od ojca jeden od matki – kom somatyczne diploidalne 2n

-w kom płciowych obecne są chromosomy po jednym z każdej pary – haploidalne 1n

STRUKTURA CHROMATYNY

-nukleosom – podstawowa jednostka strukturalna chromatyny złozona jest z DNA ok. 180nukleotydów

-białka histony H1 H2A H2B H3 H4

Struktura chromosomu
chromatydy,centromer,telomery(na czubkach nozek chromatyd)

W zależności od pozycji centromeru wyróżniamy chromosomy:

-metacentryczne – środek nici chromatydowych

-submetacentryczne-przesunięty w jedną lub w druga stronę

-aluocentryczne – centromer zlokalizowany jest na biegunie.

3 PODSTAWOWE CECHY RÓŻNIĄCE CHROMOSOMY:

-wielkość/wzór prążków/pozycja centromeru.

CHROMOSOMY HOMOLOGICZNE:

-pary chromosomów o tym samym kształcie i wielkości

-zawierają te same geny z tym, że mogą występować w innych postaciach (allelach)

-jeden w parze pochodzi od ojca, a drugi od matki.

ALLELE-jedna z wersji genu w danym miejscu na danym chromosomie homologicznym

Występowanie więcej niż jednej wersji danego genu określa się jako polimorfizm.

Allele dominujące oznacza się dużymi literami AA a recesywne małymi np. aa

W komórkach diploidalnych mogą powstawać 3kombinacje alleli:

1.aa-homozygota recesywna

2.AA-homozygota dominująca

3.Aa,Aa – heterozygota

Przykłady dominujących/recesywnych cech człowieka:

-oczy piwne/niebieskie

-brak piegów/piegi

-krótkie rzęsy/długie rzęsy

-włosy kręcone/włosy proste.

Geny mają swoje ściśle określone miejsca na chromosomach (odpowiednio również na homologicznym)

Może się zdarzyć tak, że:

-gen ma swój odpowiednik na chromosomie homologicznym

-ma drugi gen zmutowany lub recesywny

-utrata heterozygotyczności LOH, np. retinoblastoma – siatkówczak

*gen RB1 kodujący białko retinoblastoma jest zlokalizowany na chromosomie 13

*mutacje w genie RB1 mogą prowadzić do rozwoju siatkówczaka – nowotworu oka w wieku dziecięcym

(delecje-ubytek, wyeliminowanie, wypadnięcie)

*objawem jest odblask źrenicy lewego oka wskazuje na obecność nowotworu

*może występować w formie dziedzicznej lub niedziedzicznej (średnio 50% nie jest dziedziczne)

DZIEDZICZENIE CECH SPRZĘŻONYCH Z PŁCIĄ-obecność alleli na chromosomie X

-hemofilia - zaburzenia krzepliwości krwi

*choroba objawia się u kobiet gdy oba allele są zmutowane

*u mężczyzn do jej ujawnienia wystarczy jeden chory allel.

ERA GENETYKI I BIOTECHNOLOGII:

-Nagroda Nobla 2009(Blachurn Australia; Greidel USA;Szostak USA; za odkrycie telomerów i telomerazy (starzenia się komórek/organizmów)

TELOMERY:

-znajdują się na końcach chromosomów

Rola telomerów:

-ochorona końców chromosomów przed ich zniszczeniem przez nukleazy i przed utratą DNA kodującego i zapobiegają sklejaniu się chromosomów

-sekwencja telomeru człowieka TTAGGG (setki tandemowych powtórzeń)

-z każdym podziałem komórki ilość telomerowych powtórzeń maleje

-limit Hayflicka (każdy podzial prowadzi do zmniejszenia powtórzeń telomerowych(w komórkach macierzystych telomery nie ulegają skróceniu, zaś w dojrzałych jest on skracany)

*Maxymalna liczba podziałów komórkowych u człowieka wynosi 50-70

*liczba podziałów zależy od komórek i organizmu

*im bliżej limitu tym więcej oznak stażenia się komórek. Jest to wynikiem skracania się telomerów w chromosomach przy każdym podziale komórki

*skracanie długości telomerów zachodzi w komórkach somatycznych

*przekroczenie limity Hayflicka prowadzi do śmierci komórek na drodze apoptozy

*apoptoza – zaprogramowana śmierć komórek.

DYNAMIKA TELOMERÓW,TELOMERAZA

-w komórkach macierzystych i rozrodczych długość telomerów nie zmienia się

-w kom somatycznych telomery ulegają skracaniu-apoptoza

-w kom nowotworowych telomery nie ulegaja skracaniu – brak apoptozy

-w Komorkach nowotworowych występuje telomeraza – enzym wydłużający telomery (kom nowotworowe są nieśmiertelne,stale się dzielą, cechuje je brak apoptozy, zawieraja aktywna telomerazę)

-inhibitory telomerazy mogą być skutecznymi lekami przeciwnowotworowymi – spowoduje to skracanie telomerów nowotworowych

PROGERIE:przedwczesne starzenie się:

-progerie stanowią model w poznaniu przyczyn procesu starzenia się organizmu człowieka

-dyskeratosis congenuta (DKC) – mutacje w genach kodujących telomerazy

Progerie: Syndrom Hutchinsona- Gilforda:

-zmiana cytozyny w tyminę w genie LmNA, kodujący laminy A i C, białka strukturalne otoczki jądrowej, powstaje wadliwa lamina A (progeryna)

-jądra mają zaburzoną strukturę

-długość życia 13-16 lat.