GENETIKA 4.razred

GENETIKA -

znanost o nasljeđivanju, najnovija grana biologije 19. stoljeće, otac genetike Gregor Mendel  vršio križanje na vrtnom grašku za istraživanje botaničari De Vries, Correns i von Tschermak ponovili Mendelove eksperimente, ali i proširili ih na druge biljke 1907. William Bateson = prvi upotrijebio naziv «genetika» znanost koja proučava pojave i uzroke međusobne sličnosti i nasljeđivanje svojstava u živim bićima

Područja istraživanja u genetici: 1) Mendelizam - istraživanja na razini organizma - 1900-1910. - De Vries – proučava mutacije - Johansen – upotrijebio izraz «gen» kao osnovna materijalna jedinica nasljeđivanja 2) Citogenetika - na razini stanice - utemeljitelj Thomas Morgan  vinska mušica 3) Molekularna genetika - utemeljitelji James Watson i Francis Crick - struktura DNA, 1954. - Jakob i Monod proučavai regulaciju aktivnosti gena. 4) Populacijska genetika - istražuje skupine organizama koji žive na istom području - Hardy 5) Evolucijska genetika - na temelju strukture i funkcije genskog materijala i analize nasljeđivanja na razini populacija i vrsta proširenja Darwinove postavke Nasljeđivanje je proces kojim potomci dobivaju osobine (nasljeđuju svojstva) od svojih roditelja. Nasljednu tvar čine svi materijalni čimbenici neke biološke vrste. Nasljedne osobine čine nasljedna tvar, ali i vanjski elementi.  sva morfološka (oblik, izgled, veličina…) i fiziološka (brojne promjene nastale u organizmu i prenose se na potomka) svojstva. Zbroj svih nasljednih osobina ili skup svih gena u nekom organizmu je GENOTIP. (nevidljivi dio) FENOTIP je ono vidljivo, ukupni izražaj organizma, sve morf. i fiz. osobine. Nasljeđuju se samo one promjene fenotipa koje izazivaju promjene u genotipu.

Geni i kromosomi

Kromosom= DNA + centromera/pričvrsnica/KINETOHORA/nit diobenog vretena + matrix, kromatide Četiri tipa kromosoma s obzirom na položaj centromera: 1) METACENTRIČAN – centromera na sredini 2) SUBMETACENTRIČAN – centromera na 2/3 3) AKROCENTRIČAN – centromera na 1/3 4) TELOCENTRIČAN – centromera na kraju Kromosomi koji određuju spol jedinke nazivaju se spolni kromosomi ili gonosomi. Oni u tjelesnim stanicama su autosomi, uvijek u paru pa se dva ista kromosoma jednog para nazivaju homolognim kromosomima. Broj kromosoma: DIPLOIDNO = 2n …… kod čovjeka je 46 HAPLOIDNO = n ……..kod čovjeka je 23 Svi kromosomi neke vrste čine kariotip. Muškarac stvara dvije vrste spermija sa kromosomskom garniturom: - 50% X + 22 - 50% Y +22  XY – muški spol, XX – ženski spol Kariotip muškarca: ♂ 44 + x + y ♀ 44 + x +x Kariogram čine poredani kromosomski parovi. Gen je određeni broj povezanih parova deoksiribonukleotida koji sadrže uputu za strukturu određenog polipeptida. -dužina gena se izražava u parovima baza (nukleotida) npr. 1500 pB ili 1,5kB = 1 gen Prokariotski kromosom čini kružna dvolančana mlekula DNA. Takav prokaiotski. kromosom imaju virusi, bakterije i organeli (mitohondriji i plastidi) eukariotskih stanica. Eukariotski kromosom pakira DNA euk. st. u kromosome uz pomoć bjelančevine histona. Kada se DNA spoji sa histonom, stvara kromatin ili nukleoprotein.

Ono što ih izgrađuje, osnovu, čini nukleosom = dvolančana molekula DNA omotana oko 8 molekula histona. Nukleosomi se međusobno povezuju golom DNA i čine nukleosomsko vlakno ->uz pomoć histona-> kromatinsko vlakno. SPIRALIZAM GEN – dio molekule DNA – dijelovi eukariotskih gena koji nose informacije za neki produkt zovu se EKSONI – oni su isprekidani dijelovima koji ne nose informacije – INTRONI Kemijska struktura gena -struktura i funkcioniranje organizma ovise o bjelančevinama -njihovom sintezom upravljaju geni tj. dijelovi molekule DNA -DNA je građena od 2 polinukleotidna lanca, spojena slabim vodikovim vezama Fosfat je vezan na 5. ugljikovom atomu šećera, a dušićna baza na 1. Novi se nukleotidi vežu na hidroksilnu skupinu OH na 3. ugljikovom atomu šećera. To je 3' kraj polinukleotidnog lanca. Drugi kraj lanca je 5' kraj  molekulska DNA se sastoji od dva međusobno antiparalelna lanca. 3' 5'

5' 3'

Jedan gen može obuhvatiti od 10-1000 parova nukleotida. -Rosalind Franklin - fizičar i kemičar, Maurie Wilkins  pomoću difrakcije rengenskih zraka otkrili prostornu građu zavojnice ili helixa DNA. Zasluge su preuzeli Watson i Crick. -Friedrich Miescher – 1869. Proučavao jezgre leukocita i otkrio da su one jako bogate kiselom tvari u kojoj ima fosfora  Nuklein. Molekula koja je sličila kiselini nukleinska kiselina Kasnije je ta tvar nazvana u jezgri DNA, a u citoplazmi RNA. /jezgra RNA Molekula DNA je dvostruka, ljestvičava, spiralno savijena,građena od 2 polinukleotidna lanca. Ima sposobnost samoumnažanja (odvija se u jezgri), prenošenje nasljednje tvari ili upute na novonastalu jedinku tj. potomka. -interfaza-s faza- jezgra Slijed zbivanja u replikaciji -pucanje slabih vodikovih veza djelovanjem enzima dna polimeraze, između dušičnih baza polinukleotidnih lanaca molekule DNA -dušične baze su otvorene i na njih se po principu komplementarnosti vežu slobodne dušične baze iz jezgre nastaju dvije molekule DNA -svaki polinukleotidni lanac služi kao kalup za sintezu novog komplementarnog lanca pa se takva replikacija naziva SEMIKONZERVATIVNA.

Dioba stanice -nasljedna uputa iz stanice u stanicu prenosi se putem DNA -PROKARIOTI – genska uputa je pohranjena u obliku kružne dvolančane molekule DNA, a bakterije se prilikom razmnožavanja kloniraju -EUKARIOTI- genska uputa smještena u jezgri, a samu gen. Uputu čini veći broj DNA jer svaka stanica mora dobiti kopiju svake molekule -replikacija DNA tijekom INTERFAZE omogućuje njezinu pravilnu raspodjelu u 2 novonastale stanice -transportni oblik molekule DNA je kromosom -kromosom nastaje od nukleosoma omatanjem DNA oko 8 molekula histona MITOZA -dioba tj. faza koja se odvija -priprema faza za diobu je INTERFAZA – čine ju G1,S,G2 faze G1 – intenzivan rast i metabolizam stanice (1 kromatida=1 kromosom) S – udvostručenje kromosoma (replikacija DNA) G2 – sintetiziran metabolizam (priprema za diobu)

Faze mitoze: PROFAZA 1 – kromatin se spiralizira i pojavljuju se vidljivi kromosomi građeni od sestrinskih kromatida -nastaje jezgrica, a jezgrina ovojnica se raspada -uspostavlja se diobeno vreteno u stanici METAFAZA 1 – kromosomi su najjače kondenzirani -kromosomi se smještaju u ekvatorijalnu ravninu i prihvaćaju se kinetohorom z a mikrotubule diobenog vretena ANAFAZA 1 – udvostručuje se DNA u području centromera što omogućuje odvajanje sestrinsih kromatida - svaka kromatida je sad kromosom  anafazni kromosom -identični kromosomi putuju k suprotnim polovima stanice TELOFAZA 1 - dvije grupe kromosoma su na suprotnim stranama stanice -kromosomi se počinju despiralizirati, formira se jezgra i jezgrica -dvije novonastale stanice dijele citoplazmu – citokineza u području ekvatorijalne ravnine

Značajke mitoze: -dioba koja razdvaja sestrinske kromatide -jedna dioba po ciklusu 1 kariokineza – dioba jezgre 1 citokineza – dioba citoplazme -gen. sadržaj produkata mitoze je identičan - 2 stanice kćeri po ciklusu -broj kromosoma u stanicama kćerima jednak je onom u majčinskoj stanici -produkti mitoze mogu se i dalje mitotski dijeliti -događa se u somatskim stanicama -počinje u zigoti i odvija se kroz čitav život organizma MEJOZA -dioba kojom nastaju spolne stanice (gamete)  4 stanicekćeri s haploidnim brojem kromosoma genski različite te spermiji i jajne stanice -bazira se na redukcijskim diobama  zoridbena dioba -sastoji se od istih faza kao i mitoza -sastoji se od mejoze 1 ili prve redukcijske diobe i mejoze 2 ili druge red. diobe MEJOZA 1 -na početku PROFAZE 1 kromosomi su isprepleteni poput klupka, postepeno je vidljivo da su građeni od dvije kromatide -tijekom profaze dolazi do gubitka jezgrice, jezgrina ovojnica se raspada, formiraju se niti diobenog vretena -2 homologna (očev i majčin) kromosoma se sparuju i nastaje kromosom BIVALENT (4 DNA i 4 KROMATIDE) -kromatide homolognih kromosoma se križaju i izmjenjuju svoj genetski materijal -mjesto križanja ima oblik X  HIJAZMA a sama pojava zove se KROSINGOVER METAFAZA 1 -bivalenti se smještaju u ekvatorijalnu ravninu diobenog vretena (1 kromosom= 4 kromatide + 4 dna) ANAFAZA 1 -po jedan homologni par kromosoma odlazi na suprotne polove stanice (2 kromosoma=2 kromatide+2 dna) TELOFAZA 1 -formiraju se dvije stanice koje imaju polovičan broj kromosoma u odnosu na ishodišnu majčinsku stanicu koja je diploidna -2 nove stanice genski različite i haploidne PROFAZA 2 -formira se diobeno vreteno i vidljivo je da su kromosomi građeni od dvije kromatide (despiralizacija) METAFAZA 2 -homologni kromosomi smješteni su u ekvatorijalnu ravninu -svaki kromosom = 2 kromatide + 2 DNA ANAFAZA 2 -po jedan kromosom od svakog homolognog para odlazi na suprotni pol stanice (1 kromosom=1 kromatida)

TELOFAZA 2 -4 haploidne stanice odvojene i genski različite -spermatgenezom nastaju 4 zrela spermija, a tijekom oogeneze 3 jajne stanice propadaju (polocite) i služe kao prehrana za jednu jajnu stanicu koja će se razviti

Sinteza bjelančevina -svaka molekula RNA sintetizira se na molekuli DNA -proes nastanka molekule RNA naziva se transkripcija ili prepisivanje genske upute -najprije se prekidaju slabe vodikove veze između dušićnih baza u molekuli DNA -djelovanjem enzimam RNA polimeraze povezuju se ribonukleotidi u lanac po principu komplementarnosti baza s DNA kalupom

-samo se jedan lanac prepisuje – NEKODIRAJUĆI -onaj koji se ne prepisuje – KODIRAJUĆI - molekula RNA jednaka je kodirajućem lancu - vrste: rRNA – ribosomska pRNA ili tRNA – prijenosna ili transportna gRNA ili mRNA – glasnička ili messenger

DNA A-T C-G

RNA A-U C-G

-TRANSKRIPCIJOM ili PREPISIVANJEM nastaje mRNA u jezgri; iz jezgre (kroz pore u jezgrinoj ovojnici) izlazi van u citoplazmu i veže se na površinu ribosoma -mRNA na ribosom donosi prepisanu gensku uputu (informaciju) o rasporedu dušičnih baza u molekulama DNA -osnovu te upute čine 3 dušične baze koje zovemo trojke ili tripleti  svaka trojka prepisana s DNA na mRNA zove se KODON i čini šifru za jednu od aminokiselina -20 aminokiselina u ljudskom tijelu -kodone treba prevesti u redoslijed aminokiselina (kod za 1 aminokis. čine 3 dušične baze u mRNA), 64 kombinacije - tRNA  u stanici ih ima koliko i kodona -svaka molekula tRNA prepoznaje točno određeni kodon pomoću tripleta nukleotida -ANTIKODON – svaka tRNA na jednom svom kraju nosi 3 dušične baze -START KODON – označava početka sinteze bjelančevina  AUG – označava kiselinu metonin (met) -STOP KODON – zaustavlja sintezu bjelančevina  tripleti UAA, UAG, UGA -antikodon na tRNA je komplementaran kodonu na mRNA  to je prevođenje ili translacija genetičke upute u redoslijed aminkiselina npr. jedan od kodona za aminokiselinu Phe na mRNA je UUU znači da tRNA nosi komplementarni antikodon AAA

Regulacija aktivnosti gena -sve stanice višestaničnih organizama sadrže identičnu uputu – iste gene -nisu svi geni aktivni u svim tipovima stanica -u svakoj stanici je aktivno oko 15% gena -jezgre diferenciranih stanica (specijalizirane za funkcije) sadrže svu informaciju za razvoj novog organizma – TOTIPOTENTNE su  somatske stanice sadržavaju čitav set gena za vrijeme razvoja i diferencijacije -geni su aktivni u tkivima u kojima su potrebni njihovi produkti -ako nema potrebe za sintezom određenih bjelančevina, geni se inaktiviraju (isključuju) -regulaciju aktivnosti gena uključenih u katabolizam laktoze otkrili su Francois Jacob i Jacques Monod 1956.g. – Nobelova nagrada, istraživali bakteriju Escherichiu Colli. -Escherichia Colli može iskorištavati šećer laktozu iz hranjive podloge uz pomoć enzima -enzimi obavljaju kataboličke funkcije -laktoza je disaharid koji se pomoći enzima razgrađuje na GLUKOZU i GALAKTOZU -geni za enzime kojima bakterija probavlja laktozu nalaze se jedan do drugoga u molekuli DNA i prepisuju zajedno (u katabolizam laktoze uključena su 3 enzima – uputu za sintezu nose 3 strukturna gena) -transkripcijom nastaje jedna velika mRNA i na njoj se sintetiziraju sva tri enzima za katabolizam laktoze - ti geni imaju zajednički PROMOTOR (mjesto na kojem počinje transkripcija) -promotori se nalaze ispred gena – on se ne prepisuje u molekulu RNA -promotor je mjesto u DNA na koje se veže RNA – polimeraza koja ne prepoznaje redoslijed nukleotida pojedinog gena – samo promotor -OPERATOR je između promotora i gena uklučenih u katabolizam laktoze (određeni slijed nukleotida) -na operator se veže REPRESOR– protein represor kodiran je genom regulatorom – nalazi se bilo gdje u DNA i stalno je aktivan -GEN REGULATOR nosi uputu za sintezu represorske bjelančevine -kad protein represor sjedi na operatoru, onemogućava RNA polimerazu, geni za katabolizam laktoze se ne prepisuju - represor je ALOSTERIČKI protein – ima 2 aktivna mjesta i može mijenjati oblik – jednim aktivnim mjestom prepoznaje operator, a drugim laktozu -u okolišu ima laktoze – molekule se vežu za represor – ON MIJENJA OBLIK – ne prepoznaje redoslijed nukleotida u operatoru – miče s DNA i nastupa RNA polimeraza – sintetizira se mRNA, proizvode enzimi za katabolizam laktoze i stanica je koristi za energiju - kad u okolišu nema laktoze – geni za enzime za katabolizam laktoze su inaktivni, a kad se laktoza pojavi geni se aktiviraju. Svrha regulacije aktivnosti gena je štednja energije. -svaki gen na kromosomu ima točno određeno mjesto = LOKUS GENA -geni su na kromosomu poredani linearno – jedan ispred drugog  važno – jer uzdužnim cijepanjem kromosoma poredak gena ostaje nepromijenjen

Dokaz da je gen dio molekule DNA 1928. Griffith – miševi – pneumokok  VIRULENTNI SOJ – ima polisaharidnu ovojnicu (kapsulu), infaktivan je  NEVIRULENTAN SOJ – nema zaštitnu kapsulu, nije zarazan 1) miševi + virulentni soj  smrt 2) bakterije virulentnog soja ubijene vrućinom  mrtve bakterije vir. soja + bakterije nevir. soja + miševi = većinom smrt -analizirajući krv mrtvih miševa Griffith je zaključio da je došlo do TRANSFORMACIJE krvi 1944. Avery ponovio pokus  zaključio da je molekula DNA iz mrtvih stanica virulentnog soja prešla u nevirulentni i izazvala transforaciju u virulentnom soju