Základy genetiky

ZÁKLADY GENETIKY

Genetika je nauka o dědičnosti a proměnlivosti.

Dědičnost (heredita) je schopnost předávat vlohy svých znaků potomkům a zajišťuje tak podobu v rámci druhu.

Proměnlivost (variabilita) je schopnost lišit se od rodičovské generace. Je dána geneticky (dědičnost) nebo vlivem vnějšího prostředí. 

________________________________________

GEN je základní jednotka genetické informace. Je to úsek DNA (sekvence nukleotidů) na chromozomu, který odpovídá za vytvoření určitého znaku. Místo, na kterém je uložen, se jmenuje lokus a nemění se. 

Intron = tvoří většinu lidského genu (95%), nekóduje proteiny, nepřekládá se, jsou v posttranslačních úpravách vystřiženy (splicing).
Exon = část genu, která je přepisována do mRNA (transkripce) a obsahuje sekvence kódující proteiny.

• Strukturní geny = kódují primární strukturu proteinu, což je lineární pořadí aminokyselin v řetězci. Vzniká z něj bílkovina - po transkripci, vystřižení intronů (vystřihuje se během tvorby mRNA) a translaci. Bílkoviny (proteiny) jsou složeny z aminokyselin spojených peptidickou vazbou (11-100 jsou polypeptidy, více jsou proteiny). 
• Regulační geny = regulují expresi genu.
• RNA geny = nepodléhají translaci (geny pro tRNA a rRNA)

 

Alela je konkrétní forma genu, ve které se může vyskytovat. Je buď alela dominantní, nebo alela recesivní. 

• Úplná dominance: dominantní alela zcela potlačuje projev recesivní alely (například dominantní červená barva a recesivní žlutá má za následek jen červené potomstvo)
• Neúplná dominance: fenotyp je kombinací obou alel (například dominantní tmavě žlutá a recesivní bílá má za následek světle žluté potomstvo)
• Kodominance: obě alely se projevují současně, ale vzájemně se neovlivňují (AB0 systém - například člověk s krevní skupinou AB má dominantní alely A a B, recesivní je 0)

Monohybrid - sleduje se jeden znak (např. barva A je žlutá, a je červená). Dihybrid - sledují se dva znaky (např. A a a pro barvu a B a b pro tvar).

Prokaryotní (bakteriální) buňka je haploidní - má pouze jednu alelu každého genu.

________________________________________

GENOM je soubor veškerých genů organismu, které jsou zapsány v DNA. Genom člověka je tvořen jaderným genomem a mimojaderným genomem (v mitochondriích = plazmon).

Genotyp je soubor všech genů (a tím pádem alel) v buňce.

Fenotyp je soubor všech znaků.

Např. genotyp Aa (jedinec má alelu jak pro blond, tak pro tmavé vlasy) a fenotyp je to A, protože je dominantní (bude blond).

Genofor = kruhová molekula DNA obsahující genetickou informaci v prokaryotech (bakterie).

________________________________________

GENETICKÝ KÓD je:

• tripletový = každá aminokyselina se skládá z trojice nukleotidů
• univerzální = stejný u většiny organismů
• degenerovaný = redundantní = dva či více nukleotidů může kódovat stejnou aminokyselinu
• nepřekryvný = všechny báze se čtou a nevynechávají

Start kodony: AUG (metionin)
Stop kodony: UGA, UAG, UAA

Kodon = tři za sebou jdoucí báze mRNA. Antikodon = tři za sebou jdoucí báze tRNA. Vzájemně jsou komplementární.

Komplementární báze (base pair) = bp = je spojení purinové (GA) a pyrimidinové (TUC) báze. A=T (U), G=C

Nukleotid je molekula z báze, fosfátu a cukru.

________________________________________

DNA = deoxyribonukleová kyselina; jádro a mitochondrie (nebo chloroplast) eukaryot nebo cytoplasma prokaryot; struktura je tvořena pentózou, fosfátovým zbytkem a dusíkatými bázemi; je tvořena dvěma řetězy navzájem antiparalelní, to znamená, že jeden jde 5' >> 3' a druhý 3' >> 5'

• jaderná DNA (chromosomální)
• mimojaderná: mitochondriální = mtDNA; podobná prokaryotní DNA - bez intronů, cirkulární chromozom

RNA = ribonukleová kyselina má stejné složení jako DNA - nukleotidy navzájem propojenými kovalentními vazbami, je tvořena jedním vláknem (u některých virů ale můžou být i dvě). Zajišťuje přenos z DNA do bílkovin. Syntéza RNA probíhá v jádře, mitochondriích a plastidech.Syntéza RNA probíhá v jádře, mitochondriích a plastidech.

• mRNA (messenger, informační, mediátorová): přenáší dědičnou informaci v genu a kóduje přesné pořadí aminokyselin v bílkovině; vzniká transkripcí (přepisem) z DNA a následným střihem (splicing)
• tRNA (transferová): přenáší aminokyseliny na správné místo ve vznikajícím polypeptidu
• rRNA (ribozomální): stavební jednotka ribozomu a jeho katalytické funkce, syntéza v jádře za pomoci jadérkasyntéza v jádře za pomoci jadérka

 

U bakterií se DNA nachází přímo v cytoplazmě, kde se nacházejí i ribosomy, a tak dochází rovnou i k překladu mRNA do proteinu. U eukaryot je ale DNA v jádře, odkud postupuje po přepisu do RNA do cytoplazmy. 

Strukturu DNA popsali J. D. Watson a F. H. C. Crick.

________________________________________

CHROMOZOM je složen z chromatinu - DNA, histonů a nehistonových proteinů (důležité při spirilizaci), které tak tvoří nukleohistonové (chromozomové) vlákno. Skládá se z chromatid - dlouhé (p) a krátké (q) raménka, které jsou odděleny centromerou (rozděluje chromozom), na konci ramének jsou telomery. Je uložen v jádře. 

Chromatin je buď euchromatin, který se účastní transkripce a je světlejší, nebo heterochromatin, který se transkripce neúčastní a je tmavší.

Nukleozom je základní stavební jednotka chromatinu. Je to osm histonů omotaných částí DNA vlákna.

KARYOTYP je soubor jaderných chromozomů v buňce. U člověka se skládá z 46 chromozomů (23 párů), z toho 44 homologních autozomů a 2 heterologních gonozomů. V každém páru je jeden vždy maternální a druhý paternální. Autozomy jsou v karyogramu číslovány od největšího po nejmenší (1 - 22). Gonozomy (heterochromozomy) se značí X a Y.

Zápis normálního karyotypu u ženy je 46,XX a u muže 46,XY.

Podle velikosti a umístění centromery se dělí na několik skupin (A - G):

• A - Chromozomy 1, 2, 3 jsou velké metacentrické
• B - Chromozomy 4, 5 jsou velké submetacentrické
• C - Chromozomy 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, X jsou střední submetacentrické
• D - Chromozomy 13, 14, 15 jsou střední akrocentrické
• E - Chromozomy 16, 17, 18 jsou malé submetacentrické
• F - Chromozomy 19, 20 jsou malé metacentrické
• G - Chromozomy 21, 22, Y jsou malé akrocentrické

Chromozomy jsou podle umístění centromery metacentrické (uprostřed), submetacentrické (mírně nad prostředkem), akrocentrické (skoro u konce) a telocentrické (ty se u člověka nevyskytují).

Homologní chromozomy jsou chromozomy jednoho páru - od matky a od otce. Heterologní chromozomy nejsou párové.  

Párový chromozom je X (je třeba XX), nepárový chromozom je Y.

________________________________________

PLAZMID je malý úsek DNA nacházející se volně v cytoplazmě bakterií, přenáší tedy dědičnou informaci mimo jádro, mají schopnost přecházet z buňky do buňky. Nejsou nezbytné pro přežití. Obsahují informace výhodné pro danou bakterii, např. rezistenci vůči antibiotikům a sulfonamidům (při léčbě močových infekcí). Jsou důležité v genovém inženýrství.

R-plazmidy: rezistence vůči antibiotikům 
F-plazmid: fertilitní plazmid, potřebný k předání informace konjugací

________________________________________ 

GENOVÁ EXPRESE je proces, kdy je genetická informace z genu (DNA) převedena do struktury proteinu. Tento proces je přísně regulován, protože jakékoliv výkyvy mají vážné klinické následky.

Transkripce = přepis genetické informace DNA do RNA na základě komplementarity (adenin = thymin a uracil, guanin = cytosin). RNA polymeráza = enzym, který katalyzuje syntézu RNA podle DNA během transkripce. 

Translace = syntéza bílkovin (proteosyntéza), kodony na mRNA se na ribozomech (místa E, P, A pro tři báze) spojí s antikodony tRNA, které nesou aminokyselinu (trojice bází), ty jsou spolu spojené peptidovými vazbami; děje se tak do té doby, než se narazí na stop-kodon = terminační kodon (UAA, UAG, UGA) a vzniklý polypeptid se uvolní; iniciace (AUG), elongace, terminace 

 

Operon je několik genů po sobě v prokaryotickém chromozomu, ale jsou transkribovány společně do jedné mRNA (u eukaryot jsou geny transkribovány každý zvlášť), mají stejný promotor = začátek transkripce.
Všechny geny jsou řízeny jedním promotorem. Součástí operonu je operátor = represor (regulační protein) a pokud se naváže na induktor, buď transkripce začne (naváže se na operátor), nebo ne (nenaváže se na operátor).

________________________________________

Replikace = přenos informace z DNA do DNA, zajišťuje dědičnost, vznikají z jedné molekuly DNA dvě stejné, řetězec se rozpojí a na nukleotidy se podle komplementarity připojí volné nukleotidy (A=D,U a G=C)

Crossing-over je proces, kdy dochází k výměně části DNA mezi dvěma nesesterskými chromatidami (každá je z jiného chromozomu) homologního chromozomu (chromozomy jednoho páru). Dochází k tomu v profázi 1. meiotického dělení. Důsledkem je rekombinace.

Matroklinní činnost = mtDNA je děděna od matky, protože při oplodnění jsou mitochondrie spermie zničeny.

Segregace = rozestup chromozomů do gamet, zajišťuje to tak proměnlivost genotypu.

________________________________________

Vertikální přenos genetické informace = rozmnožování.

Horizontální přenos genetické informace (laterální genový transfer) = proces, kdy jedinec přijímá genetickou informaci jiného jedince a není jeho potomkem. Je to důležité u bakterií, které si tak mohou šířit informace o rezistenci vůči antibiotikům - transformace (volné kousky DNA), konjugace (můstek), transdukce (bakteriofágy).

 

Bakterie se rozmnožují nepohlavně, takže výměna genetických informací se děje pomocí parasexuálních dějů:

• Konjugace: mezi dvěma bakteriemi vznikne cytoplazmatické spojení pomocí úzké trubičky; donorová buňka má vždy fertilitní plazmid (F-plazmid; buňky se označují F+ a jsou schopny předat genetickou informaci).
• Transformace: přenos volné DNA do bakteriální buňky
• Transdukce: přenos pomocí bakteriofága

________________________________________

MUTACE jsou náhodné změny genetické informace působením mutagenů (mutagenních faktorů), změní se genotyp (soubor všech genů), mutace zasahuje na různě velkém úseku DNA.

Mutageny mohou být fyzikální (radiomutageny; UV a RTG záření) nebo chemické (chemomutegeny; léky, látky přidávané do potravin, plyny, těžké kovy). Mohou být spontánní (náhodné), nebo indukované (vyvolané člověkem). Z pohledu evoluce se dělí na výhodné, nevýhodné a neutrální (jestli se rozšíří, nebo mizí určité znaky).

Somatické mutace se nepřenáší na další generace, jsou v somatických (tělních) buňkách, projevují se například apoptózou a nekrózou (obě označují smrt buněk) nebo vznikají nádory.
Gametické mutace postihují pohlavní buňky, proto jedince vyvinutého z takové zygoty postihuje mutace ve všech buňkách organizmu.

• Genové (bodové) mutace: jde o změnu pořadí nebo počtu nukleotidů;
  • adice (inzerce) = zařazení nadbytečných nukleotidových párů
  • delece = ztráta nukleotidu
  • substituce = náhrada nebo výměna nukleotidových bází
• Chromozomová mutace (aberace): nepostihuje samotné geny, ale mění strukturu chromozomu
  • delece = chromozom ztratí jeden nebo více genů; terminální (chybí konec raménka), intersticiální (chybí nějaká střední část) 
  • chromozomový prstenec (ring chromosome) = pokud dojde k deleci obou konců ramének (telomer), koncové části se spojí
  • duplikace = část chromozomu se zdvojí
  • inverze = určitý úsek se převrátí
  • translokace = vzájemné přemístění genů mezi nehomologními chromozomy (mezi homologními by to byl crossing over)
  • fragmentace = rozpad chromozomu na více částí
• Genomové mutace: mění se počet chromozomů v buňce;
  • aneuplodie = chybí, nebo přebývá chromozóm,
  • polyplodie = znásobení celé sady chromozómů; haploidní (n), diploidní (2n), triploidní (3n), tetraploidní (4n)

 

Downův syndrom = trisomie 21. chromozomu (jeden chromozom navíc, takže má 47 chromozomů, 22 párů a 1 trojici)

Některé odchylky jsou i u gonozomů, např. Turnerův syndrom: 45,X (chybí jeden chromozom X) 

________________________________________

MORGANOVY ZÁKONY:

1. Geny jsou lineárně za sebou
2. Geny jednoho chromozomu tvoří vazebnou skupinu a těch je tolik, kolik je homologních chromozomů (chromozomy jednoho páru)
3. Mezi homologními chromozomy může probíhat crossing-over a frekvence tohoto děje je úměrná vzdálenosti genů (síle vazby)

Vazbová skupina je soubor genů jednoho chromozomu.

Síla vazby je vzdálenost mezi geny a vyjadřuje ji Morganovo číslo a udává se v centimorganech (1cM = 1% rekombinantů).

Úplná vazba nastává, když jsou geny tak blízko sebe, že nikdy nedochází ke crossing-overu a vždy se dědí společně.
Neúplná vazba umožňuje crossing-over (profáze I. meiózy) a dochází k rekombinaci.

________________________________________ 

Biopolymery = bílkoviny, nukleové kyseliny  a polysacharidy.

Informační molekuly = bílkoviny, nukleové kyseliny.