genetyka W.doc

Genetyka- Stanowi wyodrębnioną dyscyplinę nauk biologicznych, której przedmiotem badań jest zmienność i dziedziczenie cech organizmów żywych.

Dziedziczność – polega na przekazywaniu w procesie rozmnażania cech z jednego gatunku na drugie

Zmienność – obejmuje procesy prowadzące do wytworzenia różnic w wyposażeniu genetycznym między formami rodzicielskimi, a potomstwem.

Powstanie tej dyscypliny stało się możliwe intensywnemu rozwojowi biologii w XIX w .

Postęp znaczony był z jednej strony poznawaniem struktury i funkcji organizmów, tkanek, komórek i ich organelli, a z drugiej formułowaniem przełomowych hipotez i teorii których część miała epokowe znaczenie dla rozwoju wiedzy o świecie ożywionym. Burzliwy rozwój tej dyscypliny zaczął w II połowie XX w i trwa do dziś.

W rozwoju genetyki można wyróżnić kilka okresów, w których wystąpiły liczne odkrycia naukowe:

Pierwszy okres – obejmuje badania genetyczne oparte na obserwacjach wyjaśniających mechanizmy „dziedziczenia” i przyniosły odkrycie pierwszych praw dziedziczenia.

GRZEGORZ MENDEL – (1822 – 1884)  zakonnik, opat klasztoru Augustynów w 1866 opublikował pracę pt. „badania nad mieszańcami roślin” stanowiącą początek genetyki. Sformułował pierwsze podstawowe prawo dziedziczenia. Był twórcą podstaw genetyki. Prowadził badania nad dziedziczeniem cech gatunku zwyczajnego. Przeprowadził doświadczenia z krzyżowaniem roślin grochu. Między 1856-63 przetestował ok 28000 roślin grochu, badał 7 cech, z których każda miała 2 łatwo rozróżnialne formy. Innowacją było użycie czystych linii.

Cechy, które brał pod uwagę:

·           Wysokość pędu

·           Barwa kwiatów

·           Barwa nasion

·           Powierzchnia nasion

·           Barwa młodych strąków (przed dojrzewaniem)

·           Kształt strąków

·           Rozmieszczenie kwiatów na pędzie

Prowadził badania nad dziedziczeniem cech grochu i przedstawił pierwszy ilościowy model dziedziczenia cech.

Fenotyp – wygląd zewnętrzny

Okrycia Mendla uzyskały rozgłos dopiero po jego śmierci dzięki 3 uczonym: de Vriesa, Corrensa, Tschermaka, którzy niezależnie od siebie odkryli ponownie prawo dziedziczenia i potwierdzili wyniki, które kilkadziesiąt lat wcześniej podał Mendel.

Bateson w 1906 wprowadził nazwę „Genetyka” dla nauk o dziedziczności i zmienności.

T.H. Morgan (1866 - 1945) ameryk, biolog, genetyk twórca chromosomowej teorii dziedziczności, laureat nagrody nobla w dziedzinie filozofii i medycyny w 1933.

Thomas Morgan udowodnił, że nośnikami genów są chromosomy.

W 1908 zaczął eksperymentować na owadach (muszka owocowa). Geny są opracowane liniowo i w ściśle określonym miejscu na chromosomie.

W 1915 opublikował wraz z zespołem tzw. „Chromosomową teorię dziedziczności”

Drugi okres – rozwój genetyki opiera się na znajomości biochemii.

G.Beadle i E. L. Tatum stwierdzili w 1941 r , że jeden gen jest odpowiedzialny za syntezę jednego enzymu, stąd powstała koncepcja: „jeden gen – jeden enzym – jedna reakcja”.

Przełom nastąpił w 1944r. kiedy to trzej badacze dowiedli, że DNA jest nośnikiem informacji genetycznej, odpowiedzialnym za transformację u bakterii.

Do wniosku tego doszli na podstawie wyników eksperymentu, w którym to do niechorobotwórczych szczepów bakterii na drodze transformacji wprowadzili DNA pochodzący z zabitych bakterii wywołujących zapalenie płuc u myszy. W wyniku tego bakterie niechorobotwórcze nabyły cechy zjadliwości. W doświadczeniu tym można upatrywać początków genetyki molekularnej.

W 1953r. J. D.  Watson i F.H. Crick opracowali i przedstawili model przestrzennej budowy cząsteczki DNA w postaci podwójnej helisy.

Trzeci okres – rozwój genetyki rozpoczyna się w połowie XX wieku równolegle z rozwojem biologii molekularnej.

H. G. Khorana i M. Nivenberg w 1967r. „złamali” kod genetyczny i ustalili jego cechy. Techniki rekombinacji DNA u bakterii zapoczątkowali W. Avber, D. Nathons i H. O. Smith w 1969 – 1971 dzieki odkrytym przez siebie enzymem rekonstrukcyjnym.

Metoda klonowania przy użyciu wektorów i sekwencjonowanie DNA zapoczątkowali w 1977 F. Sornger i W. Gilbert, a udostępnił je w  1990 Winnacker.

W 1984 D. C. Schwartz i Kauter wprowadzili metodę elektroforazy, która pozwala na rozdział elektroforyczyny dużych fragmentów par zasady DNA. Podzielenie fragmentów DNA metodą łańcuchowej polimerazy PCR zapoczątkował w 1985 R. K. Saiki (wykorzystali PCR w diagnostyce).

W 1986 H.D. Royer i Prokora sklonowali gen ludzki i dokonali pierwszej analizy długości ludzkiego genu.

W 1996

Zespół badaczy kierowany przez Wilmuta sklonował komórki somatyczne komórek owiec, dzięki czemu narodziła się owca „Dolly”

W 1999 odkryto sekwencje pierwszego chromosomu człowieka, który był chromosomem 22.

W 2001 ustalenie przybliżonej liczby genów w genomie człowieka – ok 35 tysięcy.

Kwasy nukleinowe: są makrocząsteczkami służącymi do przekazywania i przechowywania informacji genetycznej u wszystkich organizmów żywych.

Podstawową właściwością kwasów nukleinowych jest zdolność replikacji (samo powielania), dzięki czemu zawarte w nich informacja może po replikacji być przekazywana potomstwu.

W 1944 udowodniono, że najczęściej chemicznym nośnikiem informacji genetycznej jest kwas deoksyrybonukleinowy (DNA).z kwasu DNA zbudowane są zbudowane są wszystkie geny organizmów.

Może być nim również kwas rybonukleinowy (RNA). Jedynie u niektórych wirusów.

Kwasy nukleinowe są wielocząsteczkowymi biopolimerami zbudowanymi z podjednostek zwanych nukleotydami (od kilkudziesięciu do kilku tysięcy).

Informacja genetyczna – chemiczne podstawy dziedziczności

Kwasy nukleinowe - są makrocząsteczkami, służącymi do przechowywania i przekazywania informacji genetycznej u wszystkich organizmów żywych. Podstawową właściwością kwasów nukleinowych jest zdolność replikacji  ( samo powielania ), dzięki czemu zawarta w nich informacja genetyczna może po replikacji być przekazywana potomstwu.

Każdy nukleotyd jest zbudowany z 3 części:

-Zasady azotowej (połączonej wiązaniem N – glikozydowym z cukrem)

-Cukru pięciowęglowego ( pentozy)

-Grupy fosforanowej (reszty kwasu fosforowego)

Reszta kwasu fosforowego à cukier à zasada

Nukleotyd: cukier + zasada + reszta kwasu ortofosforowego (przynajmniej jedna)

Cukry powiązane wiązaniami fosfodiestrowymi tworzą wspólny rdzeń cząsteczki, podczas gdy zasady mogą się różnić i należą do 4 typów.

Kwasy nukleinowe mają strukturą polimerów.

Każdy kwas nukleinowy w DNA zawiera 4 typy zasad:

-Purynowe – adenina (A), guanina (G)

-Pirymidynowa – cytozyna (C), tymina (T)

Natomiast w RNA występuje uracyl (U)

Stosunek ilościowy w cząsteczce DNA :

Zasada A + T oraz G + C zawsze wynosi 1:1

Zasadę azotową połączoną z cukrem nazywamy nukleozydem, a gdy do tego związku połączona jest z grupa fosforanowa wówczas nazywa się nukleotydem.

Nukleotydy połączone wiązaniami fosfodiestrowymi tworzą wiązania polinukleotydowe.

Cukry kwasów nukleotydowych są połączone mostkami fosfodiestrowymi (3’ do 5’ )

Łańcuchy te wykazują odwrotna polerność  i są jakby przeciw równoległe, czyli biegną w przeciwnych kierunkach tzn. jeżeli jeden łańcuch będzie miał polarność 5’ do 3’ to drugi komplementarny – 3’ à 5’

Polarność łańcucha DNA:

Tworzące cząstkę DNA nici są przeciwnie zorientowane.

Każda z nici DNA zawiera na jednym końcu wolna niezwiązaną z następnym nukleotydem, resztą kwasu fosforowego (w pozycji 5, tzw. Koniec 5’), na 2 zaś ten sam ortofosforan z wolna grupa OH przy 3’ atomie węgla deoksyrybozy. W każdym łańcuchu polinukleotydowym wyróżnia się więc koniec 5’ i koniec 3’.

Rodzaje kwasów nukleinowych:

-Jednołańcuchowy – kwas rybonukleinowy – RNA

-Dwułańcuchowy – kwas deoksyrybonukleinowy – DNA

DNA i RNA różnią się składnikiem cukrowym (pentoz) i jedną z zasad:

v         W RNA występuje cukier – ryboza

v         W DNA występuje cukier – 2-deoksyryboza

v         W RNA występują zasady : 

-Adenina   A

-Guanina   G

-Cytozyna C

-Uracyl U

v         W DNA występują zasady|:

-Adenina

-Guanina

-Cytozyna

-Tymina

W komórkach organizmów eukariotycznych (posiadających jądro) DNA znajduje się w jądrze komórkowym oraz w niektórych organellach, takich jak mitochondria i chloroplasty. RNA występuje w jądrach komórkowych jak i cytoplazmie komórki.

Struktura przestrzenna DNA:

W 1953 na podstawie badań krystalograficznych Watson i Crick ustalili model struktury przestrzennej DNA w postaci podwójnej helisy.

Sekwencja (kolejność) nukleotydów w jednej nici DNA określa w sposób jednoznaczny ich kolejność w drugiej nici.

Rdzeń cukrowo-fosforanowy znajduje się na zewnątrz, a zasady są skierowane do wewnątrz helisy.

Płaszczyzny zasad są niemal prostopadła do osi helisy, a płaszczyzny pierścieni cukrów są prostopadłe względem zasad.

Wielkości w DNA mierzy się w nanometrach.

Replikacja DNA:

Przed każdym podziałem komórkowym musi zachodzić replikacja DNA to samo powielanie się informacji genetycznej zawartej w DNA. Umożliwia podwajanie materiału genetycznego niezbędnego do powstania dwóch potomnych komórek z jednej komórki wyjściowej. Jest wieloetapowym procesem enzymatycznym, który zapewnia wierne powielanie jego cząsteczki macierzystej.

Polega na rozleceniu się nici podwójnej helisy i syntezie potomnej nici DNA ma matrycy nici istniejącej (rodzicielskiej), katalizowanej przez enzymy – polimerazy DNA. Każda stara nić DNA jest matrycą do powstania nowych nici.

Zbudowane dwie podwójne helisy mają taką sama sekwencję zasad jak helisa rodzicielska np. adenina jednej nici zawsze tworzy parę z tyminą na nici drugiej.

Rejon zaplatania  się nici helisy i syntezy DNA nosi nazwę widełek replikacyjnych.

Polimeraza DNA koryguje błędy:

-jeśli nukleotyd nowo wprowadzony podczas polimeryzacji nie jest komplementarny do nukleotydu w matrycy, to polimeraza DNA go usuwa dzięki swej aktywności egzonukleazowej 5’-3’

-zapewnia to bardzo duża wierność replikacji

-błąd w doborze nukleotydów powstaje rzadziej niż 1 na 108 par zasad.

Semikonserwatywny sposób replikacji:  każda powielana dwuniciowa cząstka DNA zawiera jeden łańcuch DNA pochodzący z rodzicielskiej cząsteczki, a drugi – nowo- zsyntezowany.

Proces replikacji DNA nie przebiega jednocześnie na całej długości cząsteczki.

Synteza DNA rozpoczyna się w miejscach początku replikacji będących odcinkami DNA o dł. 200-300 nukleotydów, zawierających sekwencję, z którymi łatwo wiążą się białka inicjujące i polimerazy.

Odcinek DNA w którym zostaje zainicjowany proces replikacji są nazwane miejscami OSI.

W miarę postepowania syntezy DNA w jednym kierunku identyczny proces rozpoczyna się po drugiej stronie inicjacji (dwa łańcuchy składające się na cząstkę DNA biegną w przeciwnych kierunkach). W efekcie proces replikacji przebiega jednocześnie w obu kierunkach.

Kierunek budowy komplementarnego łańcucha jest ściśle określony i postępuje od końca 5’ w kierunku 3’.

W efekcie na jednym łańcuchu matrycowym replikujące cząsteczki DNA dobudowywanie nowego łańcucha przebiega w sposób ciągły(zgodnie z ruchem widełek replikujących). Na drugim łańcuchu dobudowywane są krótkie fragmenty, które następnie są łączone przez enzym ligazę w nić ciągłą. Niesyntezowana w sposób ciągły jest nazywana prowadzącą, a nić powstaje w sposób nieciągły „skokowo”- opóźnioną.

Duży wpływ na przebieg replikacji mają białka. Umożliwiają one szybkie rozwijanie się cząsteczki DNA przed przesuwającymi się widełkami replikacyjnymi, stabilizację jednoniciową DNA oraz przygotowywanie matryc dla przesuwających się polimeraz.

Rodzaje i funkcje RNA:

W komórkach występuje kilka rodzajów RNA:

Informacyjny RNA (mRNA) stanowi matrycę do syntezy białek czyli translację.

Transportujący RNA (tRNA) przenosi zaktywowane aminokwasy do rybosomów gdzie dochodzi do ich połączenia się wiązaniami peptydowymi w kolejności określonej przez matryce mRNA. Dla każdego z 20 aa istnieje co najmniej 1 rodzaj tRNA.

Rybosomy RNA (rRNA) główne składniki rybosomów pełnią podczas biosyntezy białek funkcję zarówno katalityczne jak i strukturalne.

Kod genetyczny:

Sposób zapisania informacji genetycznej zawartej w DNA lub u niektórych wirusów w RNA. Istotą kodu genetycznego jest zjawisko wyznaczenia przez sekwencje nukleotydów kolejno w DNA i RNA kolejności aa w białku (informacja o strukturze białek).

Sekwencja DNA genu określa sekwencję aa białek. Bardzo ważne jest aby sekwencja DNA została zachowana, ponieważ zmiany w sekwencji aa mogą mieć szkodliwy wpływ na organizm.

Jest podzielona na szereg jednostek złożonych z trzech zasad(trójki nukleotydów). Każda z takich jednostek nazywa się kodonem i koduje określony aminokwas.

Cząsteczka DNA jest polimerem złożonym z 4 różnych nukleotydów liczba możliwych kodonów wynosi łącznie 43 czli 64 kodony, które określają 20 aa występują w białkach:

Ala – alanina

Arg – arginina

Asn – asparagina

Asp – kw. Asparaginowy

Cys – cysteina

Fen – fenyloalanina

Gli – glicyna

Glu – kw. Glutaminowy

Gln – glutamina

His – histyna

Ile – izoleucyna

Leu – leucyna

Liz – lizyna

Met – metionina

Pro – prolina

Ser – seryna

Tre – treonina

Trp – tryptofan

Tyr – tyrozyna

Wal – walina

W efekcie wszystkich aa z wyjątkiem metioniny i tryptofanu, są kodowane przez więcej niż jeden kodon(do 6).

Kod zdegradowany każdemu kodonowi możemy przypisać konkretny aa ale konkretnemu aa nie możemy przypisać tylko jednego konkretnego kodonu.

Spośród 64 możliwych kodonów, 61 koduje aa. Trzy kodony UAG, UGA, UAA nie kodują żadnego aa, stanowią natomiast sygnalizację końca syntezy polipeptydu(białka) i określa się je jako kodony STOP.

Kodon metioninowy AUG jest nazywany kodonem inicjującym lub kodonem START. Stanowi on początek zapisu informacji dla każdego białka.

Kodon inicjujący wyznacza też tzw. Ramkę odczytu.

Podczas syntezy białka tylko jedna ramka odczytu zawiera użyteczne informacje, pozostałe dwie zawierają zwykle kilka kodonów STOP, co wyklucza możliwość ich wykorzystania do kierowania syntezą białka.

Przesunięcie ramki o jeden lub dwa nukleotydy prowadzi do zmian zapisu i powstania innego niż kodowany peptyd lub przerwanie translacji.

Kod genetyczny jest:

*Trójkowy – jeden aa jest kodowany przez trójkę nukleotydów na DNA a zatem przez kodon mRNA

*Uniwersalny – dany kodon koduje ten sam aa u wszystkich organizmów żywych oraz wirusów.

*Niezachodzący- każdy z nukleotydów wchodzi w skład tylko 1-go kodonu.

*Bez przecinkowy – nie ma znaków przecinkowych pomiędzy kolejnymi trójkami i kod odczytywany jest w  sposób ciągły

*Wieloznaczny – dany aa może być kodowany przez więcej niż jedna trójkę nukleotydów.

Odczytywanie informacji genetycznej obejmuje wiele procesów prowadzących do tzw. Ekspresji genów-oznacza wytwarzanie produktu genu w postaci białka zakodowanego w określonej sekwencji nukleotydów.

Informacja genetyczna zawsze jest przekazywana od DNA do  RNA i dalej do białka.

W konsekwencji każdy gen determinuje wytwarzanie innego białka.

Ekspresja genów obejmuje etapy :

-Transkrypcję – polega na przepisywaniu inf. Genetycznej z DNA na drugi rodzaj kw. Nukleinowego informacyjnego RNA (mRNA)

-Translacja- położenie inf. Genetycznej na białko. W czasie translacji informacja zakodowane w mRNA zostaje wykorzystana do ustalenia kolejności aa w białku. Obejmuje 3 etapy:

-inicjację – zapoczątkowanie biosyntezy białek

- elougacje – wydłużenie łańcucha polipeptydowego

- terminację – zakończenie biosyntezy białek

Geny w jądrze komórkowym znajduje się w chromosomach które widoczne są w dzielących się jądrach .

Prawie cały materiał genetyczny (ok. 99%) zlokalizowany jest w jadrze komórkowym i w okresie podziału jest precyzyjnie rozdzielony od jąder potomnych.

Chromosom- to długa niciowata struktura złożona z DNA i towarzyszących mu białek, która zawiera część genetycznej informacji organizmu. Zawierają również niewielką ilość RNA.

Analizą chromosomów zajmuje się cytogenetyka.

T. Morgan: biolog, genetyk twórca chromosomowej teorii dziedziczności, dowiódł że geny zlokalizowane są w chromosomach, organizmy dziedziczą cechy z pokolenia na pokolenie za pomocą genów.

Chromosom metafazowy –zbudowany jest z centromeru i dwóch ramion zakończonych telomerami.

Liczba chromosomów jest stała i charakterystyczna dla danego gatunku.

Wzdłuż chromosom zbudowany jest z dwóch identycznych połówek zwanych chromatydami.

Chromosom metacentryczny – gdy centromer leży pośrodku ramiona górne i dolne mają jednakowa długość

Chromosom submetacentryczny – gdy centromer nie leży na środku przesunięty jest w kierunku jednego końca chromosomu, ramiona górne są wyraźnie krótsze od dolnych.

Chromosom akrocentryczny – gdy centromer leży blisko końca ramiona na ich końcach mogą występować satelity

Chromosom telocentryczny – mają praktycznie tylko jedno ramię

Każdy chromosom (wyjątek chromosomu płci) ma identyczny morfologicznie chromosom homologiczny. Każdy z chromosomów homologicznych zawiera gen warunkujący te same cechy.

Chromosomy homologiczne mają te same loci tech samych genów, ale mają zawierać w nich różne allele.

Układanie kariotypu dla danego osobnika polega na zestawieniu par chromosomów homologicznych w stadium metafazy mitotycznej obecnych w pojedynczej komórce diploidalnej.

Podział komórek diploidalnych:

Przekazywanie inf. Genetycznej kolejnym pokoleniom odbywa się podczas podziału komórek- z jednej komórki macierzystej powstają dwie komórki potomne.

Każde komórka potomna powstała w wyniku podziału podwaja wszystkie swoje składniki po czym dzieli się na 2 komórki potomne.

Cykl komórkowy- przejście od jednego podziału komórkowego do drugiego.

Kariokineza – geny jądrowe przekazywane podczas podziału jądra

Cytokineza – geny znajdujące się w organellach cytoplazmatycznych przekazywane podczas podziału cytoplazmy.