1. Základy genetiky
Yüklə 5,01 Kb. Pdf görüntüsü
|
|
Genetika Soubor kapitol ze stránek http://www.genetika-biologie.cz/ Verze 1.0 (11.9.2011) MUDr. Antonín Šípek jr. (Azrael) Uvedená práce (dílo) podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Nevyužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko 1. Základy genetiky 1) Genetika obecně Genetika je věda zabývající se dědičností a proměnlivostí ţivých soustav. Patří mezi biologické vědy a vyděluje se podle hlediska studia organismů (podobně jako anatomie - která se zabývá tělesnou stavbou nebo fyziologie - která se zabývá jednotlivými pochody a procesy v organizmu). Genetika sleduje variabilitu, rozdílnost a přenos druhových a dědičných znaků mezi rodiči a potomky i me zi potomky navzájem. S genetikou a jejími principy se člověk setkával jiţ od pradávna. Umění dávných šlechtitelů bylo s principy genetiky neomylně provázáno. Genetika - jako samostatná vědní disciplína - ovšem vzniká aţ relativně pozdě. Její historie se za čala psát aţ v 19. století. K velkému rozvoji došlo ve druhé polovině 20. století a dá se očekávat, ţe rychlý rozvoj bude pokračovat i ve století 21. (a zatím tomu skutečně tak je...). Genetika je jednou z nejdůleţitějších (ne - li přímo nejdůleţitější) teoretických věd z hlediska popisu jakékoli ţivé soustavy. U genetické informace je počátek kaţdého současného ţivého organismu. Genetická informace určuje budoucí anatomickou stavbu organismu, určuje jaké látky budou účastníky biochemických a fyziologických procesů v organismu a v neposlední řadě je nepostradatelnou součástí pohlavního i nepohlavního rozmnoţování. Poznatky genetiky jsou velmi důleţité pro celou řadu přírodovědných oborů, například evoluční biologii, antropologii, mikrobiologii a mnoho dalších. V oboru molekulární biologie se kombinují poznatky genetiky, biochemie a buněčné biologie. Genetika je sice původem teoretickou vědou, ale jiţ dnes má velmi mnoho moţností praktického uplatnění. Mimo lékařství nachází genetika vyuţití v zemědělství při šlechtění nových odrůd rostlin stejně jako při chovu (nejen) hospodářských zvířat. S rozvojem biotechnologií a genetického inţenýrství se objevují i geneticky upravené hospodářské organizmy, které se stávají přínosem, ale i ekologickou a etickou otázkou. Díky genetickému inţenýrství, je dnes moţné vyrábět řadu tzv. rekombinantních látek (a mnoho takových látek nachází uplatnění v terapii různých chorob). Vyuţití genetiky pro různé biotechnologické metody a postupy je jiţ dnes na denním pořádku a do budoucna s e i toto uplatnění jistě dále rozšíří. Velký význam pro člověka má lékařská neboli klinická genetika. Zkoumá člověka, různé genetické choroby a vady , jejich četnost a genetickou determinaci různých lidských znaků. Klinická genetika je dnes samostatným lékařským oborem, oddělení lékařské genetiky najdete dnes ve většině fakultních a krajských nemocnic; existuje také řada soukromých pracovišť. Genetika se uplatňuje při výzkumu rakovinného bujení, imunitního systému a imunitních reakcí a v mikrobiologickém výz kumu. Samostatnou kapitolou se pak stává klonování , kde vyvstávají ekologické a etické otázky jiţ při klonování zvířat, natoţ při klonování člověka. Úplnou revoluci v medicíně pak můţe přinést ovládnutí genové terapie. Dnes jiţ nelze ani opomenout význam g enetiky ve forenzních metodách . Genetické testy pomáhají při usvědčování zločinců, při identifikaci tělesných ostatků nebo ztracených osob. V současné době také přichází do módy genetické testy otcovství. Mezi podobory genetiky patří například: molekulární genetika, cytogenetika, imunogenetika, onkogenetika, populační genetika, klasická (Mendelovská) genetika, genetika rostlin (bakterií, virů...), evoluční genetika, a lékařská (klinická) genetika. V genetickém výzkumu se pouţívá mnoho rozličných metod. Jde zejména o metody biochemické, fyzikální, mikroskopické, metody analytické chemie a bioinformatiky. Mnoho specifických metod bylo objeveno výhradně pro genetický výzkum - zejména různé sekvenovací a značkovací metody. 2) Historie genetiky Genetika je vědou poměrně mladou. Za zakladatele genetiky je povaţován Johann Gregor Mendel (1822 - 1884). Tento augustiniánský mnich z brněnského kláštera se v 2. polovině 19. století zabýval hybridizačními pokusy u rostlin. Za své působiště si zvolil zahrádku kláštera a za objekt svého zájmu hrách. Při následném kříţení sledoval 7 dědičných znaků (tvar semen a lusků, zbarvení děloh, květů a nezralých lusků, délku stonku a postavení květů). Po matematickém zhodnocení výsledků zjistil, ţe se nedědí přímo znaky, ale "vlohy" pro ně. Mendel tak dal za vznik klasické genetice. Mendelovy zákony a mezialelární vztahy patří k základům a dodnes mají své vyuţití třeba i v medicíně u sledování monogenně dědičných onemocnění. Mendel vydal roku 1866 o svých pozorováních práci nazvanou Versu che über Pflanzenhybriden (Pokusy s rostlinnými kříţenci). Ve své době však neměla jeho práce vůbec ţádný ohlas a byla dokonce zapomenuta. Ke znovuobjevení Mendelovy práce a ke vzniku genetiky jako plnohodnotného vědního oboru tak dochází aţ na počátku 20. století. Dochází zde k potvrzení pravdivosti Mendelových zjištění. To je spojeno se jmény holandského profesora Huga de Vriese (1848 - 1935), rakouského profesora Ericha Tschermaka von Seysenegg (1871 - 1962) a profesora Carla Corrense (1863 - 1933). Mezi další významné vědce patří anglický profesor William Bateson (1861 - 1926), který jako první pouţil termín genetika (1906), heterozygot a homozygot. Dán Wilhelm Johannsen (1857 - 1927) zase jako první zavádí pojmy gen, genotyp a fenotyp. Větší pozornost si zaslouţí Američan Thomas Hunt Morgan (1866 - 1945) a jeho práce o chromozomech (Chromosomes and heredity). Jako modelový organismus pouţíval octomilku (Drosophila melanogaster ). Přinesl spoustu nových poznatků o genech a genové vazbě . Roku 1933 se stal pr vním genetikem, který získal Nobelovu cenu. Klíčovým okamţikem byl samozřejmě objev DNA . Jako nositelka genetické informace byla prokázána jiţ v roce 1944 týmem Američana Oswalda T. Aweryho. Další poznatky ohledně komplementarity bází přinesl Erwin Chargaff. Na jejich práci navazují James D. Watson a Francis H. Crick , kteří onoho památného roku 1953 předloţili strukturní model dvoušroubovice DNA. Významným dílem k tomuto objevu přispěly i RTG studie DNA Maurice H. F. Wilkinse a Rosalindy Franklinové . Roku 1962 se Watson, Crick a Wilkins dočkali Nobelovy ceny. Crick se dále věnoval proteosyntéze a genetickému kódu. Zanedlouho je potvrzen tripletový genetický kód. Japonec Reiji Okazaki (1930 - 1974) osvětluje diskontinuální syntézu opoţděného řetězce při replikaci DNA. Roku 1966 jsou k jednotlivým tripletům přiřazeny aminokyseliny, které kódují. V roce 1956 je stanoven počet chromosomů v lidské buňce a roku 1959 Francouz Jerome Lejeune (1926 - 1994) odhaluje chromosomální podstatu Downova syndromu. Nastává rozvoj i na cytogenetické úrovni. Objev moderních sekvenovacích principů umoţnil sekvenování genomů jednoduchých organismů (1965 - genom kvasinky), s rozvíjejícím se technickým pokrokem bylo moţné sekvenovat stále větší genomy, coţ vyvrcholilo sekvenováním lids kého genomu (draft roku 2001, kompletní sekvence roku 2003). I v současné době probíhá výzkum, zaměřený zejména na vyuţití znalostí lidského genomu např. v oblasti farmakogenomiky nebo genové terapie. Vyuţívá se stále dokonalejších bioinformatických techno logií. Intenzivní výzkum probíhá v oblasti genetiky nádorového bujení. Nových objevů se v oblasti genetiky budeme dočkávat kaţdým dnem… 2. Cytogenetika 1) Eukaryotní buňka Většinu dnešních organismů (kromě bakterií, archebakterií a sinic) řadíme do podříše Eucaryota. Eukaryotní organismy jsou tvořeny buňkami (nebo buňkou) eukaryotního typu. Ty jsou značně sloţitější neţ prokaryotní buňky. Obsahují i membránové organely jako mitochondrie, Golgiho aparát, endoplazmatické retikulum, vakuoly / lyzosomy či plastidy, které u prokaryot nenajdeme. Značně se také liší samotné jádro, jak je popsáno níţe. Jádro Jádro je většinou největší organelou buňky a je odděleno membránou - karyoplastem (ve skutečnosti je membrána dvojitá a mezi jednotlivými membránami je tzv. perinukleární prostor). Velkou část jeho hmoty tvoří chromatin - hmota sloţená z nukleozómů, které nejsou nic jiného neţ DNA a histony (bílkoviny - rozeznáváme 5 typů: H1, H2A, H2B, H3, H4). Rozlišujeme světlý chromatin - euchromatin - dekondenzovaný, je místem aktivní transkripce, a tmavý, kondenzovaný chromatin - heterochromatin. Dále jádro obsahuje jadérko (nucleolus) , které můţe být zastoupeno i ve více exemplářích. Je tvořeno především RNA a proteiny. Jeho součástí jsou také části DNA z chromosomů tzv. organi zátory nukleolu, coţ jsou sekvence bází, které kódují ribozomální RNA. Dozrávající ribozomy v jadérku tvoří malá granula, která označujeme jako pars granulosa - granulózní část. Další buněčné organely Mitochondrie Mitochondrie jsou kulovité aţ podlouhlé organely slouţící jako energetické centrum buňky. Probíhají zde významné metabolické pochody jako citrátový cyklus a β - oxidace mastných kyselin. Mitochondrie jsou ohraničeny dvojitou membránou; vnitřní membrána vybíhá v hojné výběţky - kristy . Vnitřní hmotu mitochondrie označujeme jako mitochondriální matrix . Mitochondrie patří mezi tzv. semiautonomní organely - část svých proteinů si díky své kruhové molekule DNA a vlastnímu proteosyntetickému aparátu mohou nasyntetizovat samy. Nejen pro podobnost této kruhové molekuly s genetickou informací bakterií se uvaţuje, ţe mitochondrie jsou z hlediska evoluce heterotrofní bakterie, které nejen přeţily uprostřed cytoplasmy jiné buňky, ale dokázaly s ní navázat trvalé souţití (tzv. endosymbióza ). Plastidy Plastidy jso u organely rostlinných buněk. Taktéţ o plastidech se uvaţuje, ţe vznikly procesem endosymbiózy a obsahují vlastní genetickou informaci. Leukoplasty - neobsahují barviva; zato se v nich ukládají různé zásobní látky. Chromoplasty - obsahují různé, především ţluté, oranţové nebo červené pigmenty - karoteny a xantofyly . Chloroplasty - mají zelené zbarvení díky pigmentu chlorofylu . Jsou ohraničeny dvojitou membránou; vnitřní membrána vybíhá v ploché váčky - tylakoidy , které jsou uspořádány ve sloupečcích ( grana ) . Hlavní úlohou chloroplastů je samozřejmě fotosyntéza . Endoplazmatické retikulum Jde o organelu membránovou, sestávající se ze systému plochých váčků. Rozlišujeme endoplasmatické retikulum drsné (granulární), nazvané podle přítomnosti ribozomů na jeho pov rchu, ve kterém dochází především k posttranslační úpravě proteinů, a endoplazmatické retikulum hladké (agranulární), které na povrchu ribozomy nemá, a které se např. hojně zapojuje v metabolických procesech. Přesná funkce endoplazmatického retikula je čas to typická pro konkrétní buňky (např. v určitém orgánu atd.). Golgiho aparát Jde o membránovou organelu, sloţenou z plochých cisteren a různých váčků. V Golgiho aparátu se dokončuje modifikace produktů syntetizovaných buňkou (přicházejících např. z endopla zmatického retikula), které se potom pomocí transportních váčků dostávají na místo určení (často jde o produkty určené na export z buňky). Organela je strukturně i funkčně polarizována - na jednom pólu vstupují "suroviny" dovnitř, z opačného pólu pak vychází jiţ hotové produkty. Váčkovité útvary V eukaryotních buňkách se vyskytuje velké mnoţství stavebně i funkčně různých váčkovitých útvarů. Jde o různě veliké, membránou ohraničené organely, slouţící k transportu nebo uchovávání různých látek, tvořících jej ich obsah. Vakuoly - organely typické zejména pro rostliny, v jejichţ buňkách se často vyskytují velké vakuoly se zásobní funkcí. Drobné vakuoly se ovšem vyskytují i u ţivočichů, např. v tukových tkáních obsahují lipidy. Lyzosomy - obsahují celou škálu různých hydrolytických enzymů a účastní se tak zejména nitrobuněčného trávení. "Nové" lyzosomy, vznikají odškrcením od Golgiho aparátu a dokud nevstoupí do trávicího procesu, je označujeme jako primární; tudíţ lyzosomy, ve kterých jiţ trávicí proces probíhá, označujeme jako sekundární. Fagozomy - jsou membránovité útvary, které vznikly endocytózou (tedy fagocytózou, ale třeba i pinocytózou) různého materiálu z vnějšího prostředí buňky. Většinou dochází k jejich splynutí s lyzosomy, které přináší potřebné trávicí enzymy, případě látky pro sníţení Ph, aby byla aktivita těchto enzymů nejvyšší. Peroxizomy - slouţí k ochraně buňky před škodlivým vlivem peroxidu vodíku pomocí specifických enzymů. Ribozomy Ribozomy jsou malé zrnkovité útvary skládající se z proteinů a rRNA. Vyskytují se volně v cytoplazmě, a to osamoceně nebo v nakupeninách (nazývaných polyribozomy) nebo přidruţeny ke granulárnímu endoplazmatickému retikulu. Ribozomy eukaryot se skládají ze dvou podjednotek - větší a menší. Menší podjednotka je tvořena asi 33 proteiny a 1 molekulou rRNa (18S rRNA), zatímco větší podjednotka je tvořena asi 49 proteiny a 3 molekulami rRNA (5S rRNA, 5.8S rRNA a 28S rRNA). Ribozomy jsou místem translace , přičemţ malá podjednotka se podílí na navázání mRNA a velká podjednotka na vzniku peptidové vazby mezi jednotlivými aminokyselinami. Cytoskelet Cytoskelet tvoří jakousi opěrnou a pohybovou soustavu buňky - pomáhá udrţovat tvar buňky a podílí se na pohybech organel i celé buňky. Jako sloţky cytoskeletu označujeme mikrotubuly (trubicovité útvary) a mikrofilamenta (jemné, vláknité útvary). Řasinky a bičíky - jsou pohyblivé útvary na povrchu buňky, které mohou slouţit k jejímu pohybu nebo k rozkmitání okolního prostředí buňky. Mají stejnou strukturu, kterou je 9 párů mikrotubulů (jsou tak těsně u sebe, ţe mají společnou část stěny), tvořících kruh okolo centrální dvojice mikrotubulů, která je umístěna ve středu útvaru. Centrioly - jsou válcovité útvary, vyskytující se v jednom či ve dvou (v dělící se buňce) exemplářích v buňce. Skládají se z 9 trojic mikrotubulů, které jsou uspořádány do tvaru ozubeného kolečka. Před dělením buňky se centriol zdvojí a oba pak putují k opačným pólům buňky, kde se podílejí na vzniku dělícího vřeténka. Buněčné inkluze Jde o různé látky, které se nachází rozptýleny volně v cytoplazmě, bez membránového ohraničení. Mohou to být kapénky lipidů, shluky sacharidů nebo třeba různé pigmenty. 2) Chromozomy Genetická informace v buňkách eukaryotních organizmů není uloţena v jediné molekule DNA. Namísto toho je rozdělena do několika úseků. Tyto úseky DNA tvoří komplex s různými proteiny a existují v jádře jako určité funkční jednotky. Je to podobné, jako kdyţ máme v počítači data uloţená na několika pevných discích a ne pouze na jednom. Tyto jednotky obecně nazýváme chromozomy . Název pochází z řečtiny a je sloţeninou výrazů chroma a soma a doslova znamená barevné tělísko . Chromozomy jsou nejlépe pozorovatelné aţ v průběhu buněčného dělení, během kterého se spiralizují a získávají svůj známý tvar. Jako první uceleně popsal chromozomy a jejich chování v průběhu mitózy německý vědec Walther Flemming . Makrostavba chromozomů V průběhu interfáze se jednotlivé chromozomy nachází v buněčném jádře v rozvolněném - despiralizovaném stavu a nemůţeme je mikroskopem pozorovat. To se mění v průběhu buněčného dělení (typicky v mitóze), kdy se chromozomy spiralizují a získají svůj typický tvar, který jiţ v mikroskopu pozorovat můţeme (pozorování metafázických chromozomů je jednou z klasických vyšetřovacích metod klinické genetiky). V pr ůběhu metafáze vypadá chromozom jako podlouhlý objekt se dvěma rameny (či chcete -li raménky), mezi nimiţ je ztenčená oblast (primární konstrikce - centromera . Koncová část ramen se potom označuje jako telomera . Ramena často nebývají stejně dlouhá - proto na chromozomu (podle polohy centromery) rozlišujeme krátké rameno ( p rameno ) a dlouhé rameno ( q rameno ). Při pozorování chromozomu v metafázi si rovněţ všimněte, ţe je tvořen dvěma chromatidami , spojenými v oblasti centromery, neboť jde o fázi buněčného dělení kdy jiţ došlo k replikaci DNA. Obecně pak chromozomy podle uloţení centromery (přesněji - podle tzv. centromerického indexu ) dělíme na chromozomy: Telocentrické (pouze s 1 ramenem, u člověka se nevyskytují) Metacentrické (s přibliţně stejně dlouhými ra meny) Submetacentrické (jedno raménko je mírně kratší) Akrocentrické (jedno raménko je extrémně kratší) Akrocentrické chromozomy mají typicky velmi krátká krátká ramena, na kterých je (sekundární konstrikcí) oddělena speciální struktura - tzv. satelit . Tato struktura tvoří tzv. organizátor nukleolu (podílí se tedy na stavbě jadérka) a obsahuje geny pro syntézu rRNA. Tvar, velikost a počet chromozomů v buňce jsou poměrně charakteristické a konstantní druhové znaky. Např. člověk má 23 párů chromozomů, ţíţala - 18 párů, pes - 39 párů. Soubor chromozomů v buňce označujeme jako karyotyp . O lidském karyotypu se dočtete více v kapitole karyotyp člověka . Mikrostavba chromozomů Jak jiţ bylo zmíněno, chromozomy jsou ve skutečnosti komplexem sloţeným z nukleové kyseliny (DNA) a proteinů (histonové a nehistonové proteiny). Základní stavební jednotkou chromozomu jsou tzv. nukleozomy - malé útvary tvořené 8 histony, které jsou obtočeny přibliţně 146 páry bazí molekuly DNA. Spiralizací těchto nukleozomů vznikají chromatinová vlákna a další spiralizací těchto vláken vznikají jiţ celé chromozomy. Histony jsou specifické bazické bílkoviny, které tvoří komplex s DNA. Rozeznáváme 5 typů histonů: H1, H2A, H2B, H3, H4. V rámci 1 nukleozomu je histonový otamer tvořen dvojicí kaţdého z těchto typů histonů: H2A, H2B, H3 a H4. Poslední typ - H1 - je umístěn mimo tento oktamer. Autozomy a gonozomy Mezi chromozomy existují ještě určité rozdíly a to vzhledem k pohlaví. Chromozomy se totiţ dělí na chromozomy somatické ( autozomy , které tvoří homologní (shodné) páry a jejich přítomnost není specifická pro určité pohlaví, a dále na chromozomy pohlavní ( gonozomy ), které určují pohlaví jedince a jsou heterologní (liší se svou stavbou). Například u člověka nacházíme 22 párů autozomů a 1 pár gonozomů - přičemţ pohlavní chromozomy označujeme písmeny X a Y . Chromozomální určení pohlaví a dědičnost pohlavně vázaných znaků je podrobněji rozebrána v kapitole dědičnost . 3) Buněčný cyklus Buněčný cyklus je cyklus, kterým prochází buňka mezi svými děleními. Doba trvání cyklu se nazývá generační doba. Buněčný cyklus se skládá z několika fází přípravných (souborně nazývaných jako interfáze - tj. období mezi dvěma následnými mitózami) a vlastního buněčného dělení. Časy zde uvedené jsou pouze orientační a liší se druh od druhu a i buňku od buňky (tyto přibliţně odpovídají dělící se modelové lidské buňce). Regulaci buněčného cyklu má na starosti velké mnoţství látek enzymové i neenzymové povahy ( Yüklə 5,01 Kb. Dostları ilə paylaş:
|