====== Genetika ====== Gentika je nauka o dědičnosti a proměnlivosti živých oragnismů. \\ **Dědičnost** \\ je schopnost organismu, kde potomek (buňka nebo organismus) získává vlastnosti nebo predispozice k vlastnostem rodičovské buňky nebo organismu (způsob metabolismu). je to také schopnost organismu reagovat na podmínky vnějšího prostředí a jejich změny. \\ **Úplná dědičnost**\\ Dominantní alela svým projevem zcela překryje projev alely recesivní (např. při křížení červenokvěté a žlutokvěté rostliny uvažujme, že dominantní alelou je alela pro červené květy a rostliny jsou homozygotní, pak bude mít potomstvo květy pouze červené). \\ **Neúplná dědičnost (kodominance)**\\ Při křížení se projeví i recesivní alela (např. při křížení homozygotní rostliny žlutokvěté a červenokvěté bude mít potomstvo květy pravděpodobně oranžové).\\ **Genotyp** - genetická informace organismu, soubor všech genů. \\ **Fenotyp** - vnější sledovatelný projev genotypu. \\ **Gen** - určitá část molekuly DNA, která nese genetickou informaci. \\ **Genom** - soubor chromozomových genů.\\ **Plazmon** - soubor genů uložených mimo jádro (v plastidech, mitochondriích,cytoplazmě). \\ **Gameta** - pohlavní buňka (přenáší genetickou informaci).\\ **Alela** - rozdílná forma téhož genu. \\ **Homozygot** - pokud jsou obě alely určitého genu stejné, označujeme jejich sestavu jako homozygotní. \\ **Heterozygot** - pokud jsou párové alely určitého genu rozdílné, označujeme jejich sestavu jako heterozygotní. \\ **Dominantní alela** - má stejný fenotypový proje jak v homozyotní tak heterozygotní sestavě. \\ **Recesivní alela** - projevuje se fenotypově pouze homozygotní sestavě. \\ \\ **Cytogentika** je podobor genetiky zabývající se buňkou a jejími strukturami. Hlavními oblastmi jejího zájmu jsou buněčné organely a struktury přímo související s přenosem a expresí genetické informace (jádro, nukleoid, ribozóm, semiatonomní organely, chromozómy, plasmidy atd.), zvláštní důraz se klade na chromozómy, plasmidy a DNA semiautonomních organel a prokaryot. Další důležitou oblastí jsou genetické aspekty buněčného dělení a s nimi související struktury.\\ **Klinická (lékařská) genetika** tvoří samostatný lékařský obor. Vychází z poznatků obecné a experimentální genetiky, které využívá na zkoumání vlivu genetických a vnějších faktorů na vznik různých lidských chorob a vad. ===== Základy molekulární biologie ===== ==== Centrální dogma molekulární biologie ==== * přenos genetické informace je možný pouze z nukleonové kyseliny do nukleonové kyseliny nebo z nukleonové kyseliny do proteinu, zpětný přenos z proteinu do nukleonové kyseliny není možný * To má za důsledek nemožnost toku informací z bílkovin do nukleových kyselin a tedy zanášení změn v organismu zpět do genetické informace ==== Genová exprese ==== * proces, kterým je v genu uložená informace převedena v reálně existující buněčnou strukturu nebo funkci * tomu reálně odpovídá několikakroková syntéza proteinu, který tomuto genu (tedy sekvenci jeho DNA) odpovídá (je jím kódován) a kterým (a nebo skrze něj) je později daná funkce realizována * gen, u nějž probíhá exprese, je označován jako gen exprimující * Termín exprese genu se užívá primárně zvláště proto, že ne každý gen, který je součástí genomu určitého organismu je vždy činný, ale naopak v každé z buněk téhož organismu jsou činné jen některé geny, právě oné buňce a v právě daný vývojový moment potřebné. To, který gen je právě činný, podléhá složité regulaci. ==== Genetický kód ==== * představuje soubor pravidel, podle kterých se genetická informace uložená v DNA (respektive RNA) převádí na primární strukturu bílkovin - tj. pořadí aminokyselin v řetězci. * genetický kód je univerzální - stejný u většiny živých organismů, pouze u několika málo skupin a mitochondrií se vyskytují drobné odchylky * genetický kód je tripletový, to znamená, že každá trojice bází kóduje jednu aminokyselinu. Tyto trojúseky na mRNA se nazývají kodony. Celkem jsou 4 báze, takže pro kombinaci máme celkem 4x4x4=64 možností. Důležitý je triplet AUG, neboť jde o triplet iniciační (zároveň kóduje methionin) a triplety UAA, UAG a UGA, které jsou označovány jako tripletety terminační, neboli beze smyslu * genetický kód je degenerovaný, protože pro asi 20 aminokyselin existuje mnohem více kódujících kodonů, z toho plyne, že některé aminokyseliny jsou kódované více triplety ==== Replikace ==== * proces tvorby kopií molekuly deoxyribonukleové kyseliny (DNA), čímž se genetická informace přenáší z jedné molekuly DNA (templát, matrice) do jiné molekuly stejného typu (tzv. replika) * proces je semikonzervativní, tzn. každá nově vzniklá molekula DNA má jeden řetězec z původní molekuly a jeden nový, syntetizovaný. * průběh: * **Iniciace** – rozpletení dvoušroubovice DNA, vznik replikační vidlice a navázání enzymatického komplexu * **Elongace** – přidávání nukleotidů a postup replikační vidlice * **Terminace** – ukončení replikace {{:school:fbmi:bbblg:vypisky:600px-dna_replication_blank.svg.png|}} ==== Transkripce ==== * proces, při němž je podle genetické informace zapsané v řetězci DNA vyráběn řetězec RNA. RNA obvykle představuje prostředníka mezi genetickým materiálem a bílkovinami, jež se podle něho vyrábí (Existují však i některé nekódující RNA, které vznikají z DNA, ale nikdy z nich protein nevzniká. ) * důležitá součást tzv. centrálního dogmatu molekulární biologie, probíhá u všech známých organizmů včetně virů * průběh je podobný jako u replikace * V centru transkripce stojí enzym RNA polymeráza, schopný podle vzoru v podobě DNA vyrábět kopii v podobě RNA. Nejdříve se rozplete dvoušroubovice DNA, která se skládá z jednotlivých genů. RNA polymeráza se naváže na začátek genu a začne na nukleotidy DNA připojovat komplementární nukleotidy RNA (kupříkladu řetězec DNA v podobě A-T-C-G-G se do RNA přepíše jako U-A-G-C-C). Když se do mRNA přepíše celý gen, jednořetězcová lineární molekula RNA se odpojí a v typickém případě putuje k ribozomu, kde z ní v procesu translace vzniká bílkovina. {{:school:fbmi:bbblg:vypisky:270px-simple_transcription_initiation1.svg.png|Iniciace}}Iniciace {{:school:fbmi:bbblg:vypisky:270px-simple_transcription_elongation1.svg.png|Elongace}}Elongace {{:school:fbmi:bbblg:vypisky:270px-simple_transcription_termination1.svg.png|Terminace}}Terminace ==== Translace ==== * sekundární proces syntézy bílkovin * jde o sestavení primární struktury bílkoviny podle záznamu v transkripci vytvořené mRNA * během translace je informace, zapsaná v mRNA, podle přesných pravidel genetického kódu dekódována a je podle ní sestaven řetězec aminokyselin * k proteosyntéze dochází na ribozómech * fáze: iniciace, elongace a terminace. ==== Proteosyntéza ==== * Proteosyntéza je zahájena iniciační tRNA, to jest tou, která nese methionin. Ta se naváže na malou ribozomální podjednotku a začne pomalu projíždět molekulu mRNA od 5' konce. Jakmile objeví iniciační sekvenci AUG - naváže se a translace začíná. Na další sekvence (kodony) nasedají další tRNA podle komplementarity bází (systém kodon na mRNA - antikodon na tRNA). Mezi přinesenými aminokyselinami vznikají peptidové vazby. Za tuto část translace - elongaci - je zodpovědná zejména velká ribozomální podjednotka. Jakmile zbývá již jen kodon beze smyslu (terminační) je proteosyntéza ukončena a vzniklé polypeptidové vlákno může být dále v buňce upravováno na požadovanou bílkovinu. ===== Mendelovy zákony ===== ==== 1. Mendelův zákon - Zákon o uniformitě F1 generace ==== Zákon o uniformitě F1 (1. filiální = první generace potomků) generace. Při vzájemném křížení 2 homozygotů vznikají potomci genotypově i fenotypově jednotní. Pokud jde o 2 různé homozygoty jsou potomci vždy heterozygotními hybridy. Při křížení dvou homozygotů (dominantního - AA a recesivního - aa) vzniká jednotná generace potomků - heterozygotů se stejným genotypem (Aa) i fenotypem. \\ \\ {{ :school:fbmi:bbblg:vypisky:mendel_law_1_table.png |}} \\ ==== 2 . Mendelův zákon - Zákon o náhodné segregaci genů do gamet==== Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi předána každá ze dvou alel (dominantní i recesivní) se stejnou pravděpodobností. Dochází tedy ke genotypovému a tím pádem i fenotypovému štěpení = segregaci. Pravděpodobnost pro potomka je tedy 25% (homozygotně dominantní jedinec) : 50% (heterozygot) : 25% (homozygotně recesivní jedinec). Tudíž genotypový štěpný poměr 1:2:1. Fenotypový štěpný poměr je 3:1, pokud je mezi alelami vztah kodominance, odpovídá fenotypový štěpný poměr štěpnému poměru genotypovému (tj. 1:2:1). \\ \\ {{ :school:fbmi:bbblg:vypisky:mendel_law_2_table.png |}} \\ ==== 3. Menelův zákon - Zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel ==== Při zkoumání 2 alel současně dochází k téže pravidelné segregaci. Máme li 2 dihybridy AaBb může každý tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB, ab). Při vzájemném křížení tedy z těchto 2 gamet vzniká 16 různých zygotických kombinací. Některé kombinace se ovšem opakují, takže nakonec vzniká pouze 9 různých genotypů (poměr 1:2:1:2:4:2:1:2:1). Nabízí se nám pouze 4 možné fenotypové projevy (dominantní v obou znacích, v 1. dominantní a v 2. recesivní, v 1. recesivní a v 2. dominantní, v obou recesivní). Fenotypový štěpný poměr je 9:3:3:1. Tento zákon platí pouze v případě, že sledované geny se nachází na různých chromozomech, nebo je jejich genová vazba natolik slabá, že nebrání jejich volné kombinovatelnosti. \\ {{ :school:fbmi:bbblg:vypisky:mendel_law_3_table_genotyp.png |}} Obrázek představuje kombinační čtverec, znázorňující poměr genotypů při dvojnásobném křížení. Stejné zabarvení značí stejný genotyp. \\ \\ {{ :school:fbmi:bbblg:vypisky:mendel_law_3_table_fenotyp.png |}} Obrázek představuje kombinační čtverec, znázorňující poměr fenotypů při dvojnásobném křížení. Stejné zabarvení značí stejný fenotyp. \\ ===== Vazba genů ===== * geny uloženy na 1 chromozomu, jsou spolu v genové vazbě * podle Mendelova zákona o nezávislé kombinovatelnosti alel se dva různé geny dědí nezávisle na sobě - to platí pouze o genech uložených na různých chromosomech! * Geny, uložené na jednom chromosomu, by se měly dědit společně, díky crossing-over to neplatí. * pravděpodobnost, se kterou proběhne crossing-over tak, aby se dva různé geny z jednoho chromosomu přenesly nezávisle na sobě, označujeme jako sílu genové vazby * čím je vzdálenost mezi geny na chromosomu větší, tím je větší i pravděpodobnost rekombinace mezi nimi a síla genové vazby klesá * pokud jsou oba sledované geny na chromosomu velmi blízko sebe, stoupá síla genové vazby a klesá pravděpodobnost rekombinace === Batesonovo číslo === * poměr mezi četnostmi gamet s rodičovským uspořádáním alel a alel s nerodičovským uspořádáním === Morganovo číslo === * podíl četnosti rekombinovaných fenotypových tříd z celkové četnosti potomstva **Fáze cis** \\ p = (a_2 + a_3)/(a_1 + a_2 + a_3 + a_4) **Fáze trans** \\ p = (a_1 + a_4)/(a_1 + a_2 + a_3 + a_4) Jednotkou genové vzdálenosti je na Morganovu počest 1 Morgan - M, respektive se užívá centimorgan - cM. ===== Polymerázová řetězová reakce (PCR) ===== * je metoda rychlého a snadného zmnožení úseku DNA založena na principu replikace nukleových kyselin * úseky DNA, které se mají namnožit (amplifikovat) musí být ohraničeny na začátku a na konci tzv. primery (krátkými oligonukleotidy DNA) * PCR slouží k vytvoření až mnoha milionů exaktních kopií vzorového fragmentu DNA o maximální délce 10 tisíc nukleotidů * PCR probíhá v zařízení zvaném termocykler, které je zkonstruováno tak, aby dokázalo během několika sekund zvýšit nebo snížit teplotu o několik desítek stupňů Celsia. * Metody se využívá nejenom k vědeckým potřebám, ale například i ke kontrole potravin, pro zjišťování GMO a geneticky modifikovaných složek, nebo v kriminalistice při identifikaci osob. * Výsledkem PCR je obrovské množství kopií původní sekvence DNA. Metoda je tak citlivá, že dokáže odhalit i jedinou molekulu DNA ve vzorku. **Postup** - **Denaturace** - DNA se po dobu 20-30 sekund zahřívá na teplotu 94-98 °C. Při této teplotě dochází k rozrušení vodíkových můstků v molekule DNA a k rozvolnění dvoušroubovice. Vzniká tak jednovláknová DNA, na kterou mohou v dalším kroku nasednout primery. - **Nasednutí primerů** - teplota se sníží na 50-65 °C, což umožňuje nasednutí primerů na specifická místa DNA. Na dvouvláknové úseky DNA-primer se váže DNA polymeráza. - **Prodlužování primerů** - teplota použitá v této fázi závisí na použité DNA polymeráze. Nejběžnější Taq polymeráza má optimum aktivity na 75-80 °C. V tomto kroku dochází k samotné syntéze DNA. Ve směru od 5' konce ke 3' konci přirůstá vlákno DNA komplementární k původní molekule DNA. Tyto kroky se cyklicky opakují, pro dostatečnou amplifikaci původní molekuly DNA obvykle postačuje 30 cyklů. V případě, že na začátku byla ve vzorku pouze jediná molekula DNA, po 32 cyklech teoreticky dostaneme až 1 miliardu nasyntetizovaných molekul DNA. ===== GMO ===== * Geneticky modifikovaný organismus (GM organismus, GMO) je organismus (kromě člověka), jehož genetický materiál (tedy DNA) byl úmyslně změněn, a to způsobem, kterého se nedosáhne přirozenou rekombinací. Zásahy do genetického materiálu organismů můžeme rozdělit na několik způsobů: * nahodilé zásahy působením mutagenů nebo ionizujícího záření * cílené zásahy - mutace jsou získané tak, že do organismu vneseme nebo v něm cíleně deaktivujeme nějaké konkrétní geny (například rostliny, do nichž byl za pomoci bakterie Agrobacterium tumefaciens vnesen gen pro odolnost k herbicidům nebo gen pro produkci insekticidů - viz např. Bt-kukuřice.) ==== Transgenní rostliny ==== * geneticky modifikované rostliny * první transgenní rostlinou byl v roce 1983 tabák (Nicotiana) s resistencí k antibiotiku kanamycinu * genetickou modifikací je možné docílit: odolnosti vůči škůdcům (Bt toxin), proti některých pesticidům, lepší nutriční hodnoty a odolnost vůči nepříznivému klimatu ==== Transgenní živočichové ==== ===== Mutace ===== * náhodné změny genotypu organismu * dělení: * genové * chromozomové * genomové * dělení podle vziku * spontánní - bez vnějšího vlivu, např. díky chybné replikaci DNA (málo časté) * indukované - vyvolané vnějšími mutagenními faktory (mutageny) === mutageny === * látky schopné způsobovat mutace * fyzikální, chemické, biologické ===== Genetická onemocnění člověka ===== ==== Autozomálně a gonozomálně dědičná onemocnění ==== === Autozomálně dominantní onemocnění === * genotypy AA a Aa jsou nemocní, aa jsou zdraví * většinou v každé generaci * zdaraví jedinci aa mají zdravé všechny děti * pokud se nemocným rodičům narodí zdravé dítě jsou oba heterozygoti Aa == Huntigtonova chorea == * neúčelné pohyby, progresivní demence * někdy značně pozdní nástup (40, rok života) == Neurofibrimatóza == * onemocnění nervového systémy * světlehnědé skvrny === Autozomálně recesivní onemocnění === * genotypy AA a Aa jsou zdraví, aa jsou nemocní * přeskakuje generace * nemoncní jedinci aa mají nemocné všechny děti * pokud se zdravým rodičům narodí nemocné dítě jsou oba heterozygoti Aa == Cystická fibróza == * porucha v sekreci a transportu tekutin a elektrolytů * zhuštění stolice, neprůchodnost střev === Gonozomálně dominantní typ dědičnosti=== * postižení jsou muži X_A Y a ženy X_A X_a * pokud má nemocný muž X_A Y se zdarvou ženou X_a X_a děti, budou všichni synové zdraví a všechny dcery nemocné === Gonozomálně recesivní typ dědičnosti=== * postižení jsou většinou muži X_a Y * nemocný muž X_a Y se zdravou ženou X_A X_A, děti budou zdravé, dcery X_A X_a budou přenašečky == Hemofilie A a B == * porucha srážlivosti krve == Barvoslepost (daltonismus) == ==== Chromozomové aberace ==== * změny genetické informace na úrovni celých chromozomů * dělí se na strukturní a numerické === Numerické chromozomové aberace === * změna standardního (diploidního) počtu chromozmů v somatické buňce * postihuje autozomy a gonozomy * v buňce je o jeden nebo několik chromozomů více či méně * dále se dělí: * autozomové * heterochromozomové == Trizomie chromozomu 21 == * Downův syndrom, mongolismus * mentální zaostalost, mongoloidní rysy ,vady vnitřních orgánů == Trizomie chromozomu 13 == * Pataův syndrom * těžká vývojová retardace, mnohačetné vývojové vady - CNS, srdce, ledviny, rozštěp rtu * postižení umírají v kojeneckém věku == Trizomie chromozomu 18 == * Edwardův syndrom * mnohačetné vývojové vady - CNS, srdce, ledviny, rozštěp rtu * postižení se nodožívají jednoho roku života == Turnerův syndrom == * monozomie chromozomu X * postižení jsou ženského pohlaví * charakteristický fenotypový projev: nizký vzrůst, častá sterilita, děti většinou postižené == Klinefelterův syndrom == * XXY, mužské pohlaví == Syndrom XXX a XYY == * nemají typický fenotypový projev === Strukturní aberace chromozomů === * delece - ztráta části chromozomu * duplikace - zdvojení úseku chromozomu * inverze, translokace, ring chromozomy * př: syndrom kočičího mňoukání