GENETIKA

GENETIKA: znanost o nasljeđivanju, Gregor Mendel – začeo modernu genetiku sredinom 19.st. (križao vrtni grašak) značajniji razvoj – poč. 20.st. (naziv genetika Wiliam Bateson 1907.)

-nasljeđivanje: prijenos svojstava iz jedne generacije u drugu, proces koji dovodi do sličnosti između roditelja i potomaka

-različitost ili varijabilnost: dijelom rezultat unutarnjih staničnih čimbenika koji uzrokuju nasljednost (npr. razlike između pripadnika različitih rasa), a dijelom vanjskih okolišnih čimbenika (način i stupanj prehrane, intenzitet tjelesne aktivnosti..)

-predmeti proučavanja genetike: struktura nasljedne tvari, prijenos nasljedne tvari, djelovanje (funkcija) nasljedne tvari u stanici

-nasljedna tvar: nalazi se u kromosomima eukariotske stanice ili „nukleoidu“ prokariotske stanice, uzrokuje nasljednost i varijabilnost, obilježja – 1. pohranjivanje informacija: jezgra oplođene jajne stanice mora imati svu potrebnu informaciju za njihov rast i razvoj 2. sposobnost udvostručivanja: pri repliciranju nasljedne tvari nastaju istovjetne kopije koje se prenose na nove generacije 3. stabilnost strukture: nužna da bi vrste zadržale postojanost tijekom evolucije 4. mogućnost promjene: mutacijama nastaju novi oblici gena koji nadziru nova svojstva; omogućuju prilagodbu promijenama u okolišu

Građa stanice

-jezgra: ispunjena nukleoplazmom u kojoj se nalazi kromatin (kromomere – mjesta koja primaju boju) , jezgrina ovojnica – 2 membrane: sadrže pore kojima jezgra „komunicira“ s citoplazmom sadrži jezgrice – RNA + ribonukleoproteini; služe za sintezu rRNA

-endoplazm. Retikulum (ER): glatki – ne sadrži ribosome; sinteza lipida, razgradnja otrova,.. zrnati – s obzirom da sadrži ribosome uklučen je u sintezu proteina

-ribosomi: omogućuju da se nasljedna uputa iz DNA prevede u određenu bjelančevinu

-Golgijevo tijelo: lizosomi (mjehurići s enzimima za razgradnju proteina), peroksisomi (enzimi za otpadne tvari)

-mitohondrij: proizvodi i pohranjuje kemijsku energiju u obliku ATP molekula

-građa kromosoma: DNA + bjelančevinasta tvar matriks, podjela – a) homologni kromosomi: jednaki po obliku i veličini b) heterologni kromosomi: različiti po obliku i veličini čovjekova tj.stan. = 46 kromosoma; spolna st. = 23 kromosoma, geni su na kromosomu smješteni linearno (jedan ispod drugog), u građu gena ne ulaze bjelančevine

KARIOTIP: skup svih kromosoma čovjeka (22 para homolignih kromosoma i 1 par spolnih heterolognih) žene – 22 + xx; muškarci – 22 + xy

Razmnožavanje

-živi org. se mogu razmnožavati: a)spolno – uzrokuje varijabilnost: poomci se razlikuju od braće i roditelja, mejoza b)nespolno – prokarioti i jednostanični eukarioti (gljive, alge, praživotinje), nastaje genetički istovjetna jedinka – klon, mitoza

MITOZA: dioba tjelesnih ili somatskih stanica kojom iz jedne stanice majke nastaju dvije stanice kćeri s istim brojem kromosoma koje su genetički istovjetne, kariokineza – dioba jezgre, citokineza – dioba citoplazma 4 faze – profaza, metafaza, anafaza, telofaza

1. PROFAZA: kromatin se spiralizira, skraćuje i deblja, u stanici postaju vidljivi kromosomi koji se sastoje od dvije kromatide – dvostruki kromosom kromatide su obavijene jedna oko druge razgrađuju se jezgrice i jezgrina ovojnica centrosom se dijeli na dva centriola koji putuju prema suprotnim polovima i putem se stvara diobeno vreteno2. METAFAZA: kromosomi su dobro vidljivi u stanici (dostigli su najviši stupanj sažimanja) smješteni su u ekvatorijalnoj ravnini = METAFAZNA PLOČA kromatide su spojene samo na mjestu pričvrsnice (centromere) niti diobenog vretena su potpuno sintetizirane i pričvršćene su za centromeru3. ANAFAZA: počinje razdvajanje sestrinskih kromatida na mjestu pričvrsnice niti diobenog vretena se skraćuju i vuku kromatide prema suprotnim polovima svaka kromatida sada postaje jednostruki kromosom, započinje citokineza4. TELOFAZA: kromatide su na polovima stanice počinje despiralizacija – kromosomi se izdužuju i postaju sve tanji, razgrađuju se niti diobenog vretena počinje sinteza jezgrinih ovojnica i završava citokineza u jezgrama ponovo postaju vidljive jezgrice

-stanični ciklus se odvija se u 4 faze: tri obilježava stanični rast, a četvrta je dioba stanice (mitoza)

INTERFAZA (međufaza): razdoblje rasta; stanica se povećava i prlazi kroz faze koje se oznaćavaju G1,S,G2 a)G1 ili postmitotska faza – slijedi nakon mitoze i stanica obavlja redovne životne aktivnosti (kontrola stan. metabolizma, aktivna sinteza bjelenčevina i RNA, stvaranje ribosoma, mitohondrija i centrosoma, te povećanje volumena i aktivan rast stanice) b)S faza – udvostručavanje kromosoma kao rezultat semikonzervativne replikacije DNA, jednostuki kromosomi (sadrže 1 dvolančanu molekulu DNA) postaju dvostruki (dvije sestrinske kromatide) c)G2 faza – tijekom nje stanica se priprema za diobu, provjerava sintetizirane DNA i popravlja moguća oštećenja te sintetizira bjelančevine potrebne za mitozu

MEJOZA: dioba kojom nastaju spolne stanice ili gamete, oogeneza (ovariji) – nastaje 1 jajna st. i 3 polocite, spermatogeneza (testisi) – nastaju 4 spermija zigota je diploidna (2n) a gameta haploidna (n) omogućuje: nasljednost (nasljeđivanje jednog seta gena) varijabilnost (miješanje majčinog i očevog genetičkog materijala)

a) redukcijska ili prva mej dioba: odvajanje cijelih kromosoma→polovičan br. kromosoma (dvostr.) profaza I.: sparivanje homolognih kromosoma (majčin+očev) čime nastaju bivalenti (2 sparena kromosoma), u bivalentima dolazi do krosingovera metafaza I: bivalenti (23) se nalaze u ekvatorijalnoj ravnini, diobeno vreteno je pričvršćeno za centromeru anafaza I.: diobeno vreteno se skraćuje i razdvaja homologne kromosome, prema svakom polu putuje jedan dvostruki kromosom redukcija broja kromosoma (2n → n) telofaza I.: nestaje diobeno vreteno

b) ekvacijska ili druga mejotska dioba – istovjetna mejozi, odvajanje kromatida → jednostruki kromosomi, nastaju četiri stanice kćeri (gamete) s haploidnim brojem kromosoma (n, jedan set krom.) koje su međusobno genetički različite

-krosingover: mješanje nesestrinskih kromatida majčina i očeva kromosoma, nastaju nove kombinacije gena u gametama HIJAZMA – mjesto prekriženja koje se vidi svjetlosnim mikroskopom

Životni ciklus: uključuje rast, razvoj i spolno razmnožavanje organizama, izmjenjuju se diploidna (2n) i haploidna (n) faza za što su zaslužne mitoza i mejoza, kroz životni ciklus prolaze sisavci ali i jdnostavniji org. poput alga i gljiva a)mitoza: dioba kojom nastaju genetički istovjetni produkti, omogućuje rast i razvoj organizama, osigurava stalan broj kromosoma u tjelesnim stanicama b)mejoza: iz diploidnih stanica nastaju haploidni produkti koji su genetički različiti, nastaju spolne stanice (gamete), oplodnjom se haploidne gamete kombiniraju u diploidnu zigotu

-tjelesna st. čovjeka je diploidna (2n = 46) – ima 2 garniture/seta homolognih kromosoma-spolne st. nastale spermatogenezom/oogenezom su haploidne (n = 23) – imaju 1 set kromosoma →spajanjem spolnih st. nastaje diploidna zigota koja ima jedan set koji potječe od oca i jedan od majke, iz zigote se mitotskim diobama razvije čitav organizam

Molekularna osnova naslijeđivanja

GEN: dio mol.DNA ili redoslijed nukleotidnih parova duž mol.DNA koji nosi informaciju za protein ili RNA, humani genom čini oko 3000 gena, građa – eksoni (nose inf. za produkt) su isprekidani intronima (ne nose inf.; prokarioti ih nemaju)

DNA: građa – 2 polinukleotidna lanca omotana oko zamišljene osi u dvolančanu zavojnicu, osnovna jedinica strukture DNA je nukleotid, nukleotid: 3 molekule – šećer (pentoza deoksiriboza), fosfatna skupina dušikova baza: purinska (adenin i gvanin) – vezana za šećer preko 1C atoma, pirimidinska (citozin i timin) – vazana za šećer preko 5C atoma

- nukleotidi se povezuju u nukleotidni lanac (2 kraja: 3' kraj i 5' kraj) →novi nukleotidi se uvijek vežu na hidroksilnu OH- skupinu na 3C atomu šećera →polinukleotidni lanci povezani su vodikovim vezama između komplementarnih dušikovih baza; purinska + pirimidinska (adenin-timin, citozin-gvanin)

Povijest DNA: Friedrich Miescher – prvi izolirao molekulu DNA iz jezgre bijelih krvnih stanica lososa (1870.), tu makromolekulu nazvao je „nukleinom“ Feulgen – pokazao da je većina mol. DNA u staničnoj jezgri (1937.) Griffith – dokazao da je DNA nositeljica genetičke informacije (1928.), a kasnije 1944. Avery, MacLeod i McCarty Watson i Crick – otkrili stukturu DNA 1953. Udvostručavanje/replikacija DNA: kemijska osnova nasljeđivanja, tijekom S-faze interfaze, potpomažu enzimi (DNA polimeraza), →tijek: pucanje vodikovih veza i odvajanje polinukleotidnih lanaca, lanci služe kao kalup za sintezu novih komplementarnih lanaca, rezultat – dvije istovjetne molekule kćeri, svaka novonastala molekula sastoji se od originalnog roditeljskog lanca i novosintetiziranog lanca (semikonzervativna replikacija)

Kromosom: građa – 2 sestrinske kromatide (svaka ima 1 mol.DNA) povezane centromerom, spiralizacija – kromosome ne možemo vidjeti prije diobe jer su despiralizirani, kada počne dioba počinju se spiralizirati pomoću bazičnih proteina histona i drugih kis., te neutralnih nehistonskih bjelančevina, stupnjevi spiralizacije: 1. nukleosom 10:1 2. kromatinska fibrila (H1) 100:1 3. metafazni kromosom (nehistoni) 1000:1 kromatin (nukleoprotein): kompleks DNA i proteina, nukleosom: osnovna jedinica kromatina koju čini dvolančana molekula DNA omotana oko 8 molekula histona, međusobno povezani golom DNA →čine nukleosomsko vlakno, nukleos. vlakna se pakiraju u kromatinsko/solenoidno vlakno (interfazna jezgra), kromosom je max. spiraliziran u metafazi i tada možemo proučavati strukturu broj – karakterističan za svaku vrstu (čovjek 46)

histoni: H1, H2A, H2B, H3, H4 (x2 = 8 molekula)

Od gena do bjelančevina

Bjelančevine: organske mol. građene od aminokis. međusobno povezanih peptidnom vezom, gen je slijed nukleotida u mol.DNA →informacija o redoslijedu aminokis. (strukturi proteina), razlikujemo 4 nukleotida prema dušikovim bazama koji tvore 20 esencijalnih aminokis.

GENETIČKI KOD: genetička poruka za polipeptidni lanac zapisana u mol.DNA kao niz od 3 nukleoida (triplet) univerzalan i jednak u svim živim bićima, u genetičkom kodu ima 64 (43) tripleta – više kodova određuje istu aminokis.

RNA: most koji povezuje genetički inf. iz DNA i sintezu bjelančevina →nastaju na kalupu DNA građa – jednolančana molekula, nema pravilan oblik, šećer je riboza a hidroksilna skupina na 2C atomu a ne 3C atomu kao u DNA, baza uracil umjesto timina 3 vrste – a) mRNA: glasnička ili „messenger“, b) tRNA: prijenosna ili transportna, c) rRNA: ribosomska

mRNA: uloga – prenosi genetičku informaciju iz jezgre u citoplazmu, transkripcija/prepisivanje – sinteza mRNA na jednom polinukleotidnom lancu kalupu DNA pomoću enzima RNA polimeraze, počinje nakon razdvajanja polinukleotidnih lanaca, mol. mRNA komplementarna lancu DNA na kojem je nastala nosi inf. u obliku tripleta baza – kodoni (komplementarni kodovima u mol. DNA) nakon transkripcije mRNA se obrađuje (procesira): odrezuju se intronski dijelovi, povezuju eksoni i zaštićuju krajevi mRNA kako enzimi u citoplazmi ne bi razgradili molekulu, prolazi kroz pore na jezgrinoj ovojnici, dolazi u citoplazmu do ribosoma gdje se sintetiziraju proteini

tRNA: u citoplazmi; postoji najmanje 20 različitih tRNA molekula, po jedna za svaku aminokiselinu, uloga – prijenos aminokis. do ribosoma, građa – jednolančana mol., sparivanjem komplementarnih dijelova nastaju dvolančane regije (struktura nalik djetelini), jedan kraj sadrži triplet antikodon komplementaran jednom ili više kodona u mol. mRNA, drugi kraj nosi mjesto za prihvaćanje određene aminokis.

rRNA: sastavni dio ribosoma (stanišna struktura pomoću kojih se obavlja sinteza bjelančevina), građa – bjelančevine + rRNA, velika i mala podjedinica s 2 mjesta za vezivanje tRNA (P i A mjesto) i 1 za vezivanje mRNA

Prevođenje/translacija: biosinteza bjelančevina, ribosom se kreće duž molekule mRNA i čita po tri sloja jednog kodona i prevodi poruku u odgovarajuću aminokis. koju do ribosoma prenosi molekula tRNA, prvi kodon koji ribosom prevodi je start kodon AUG (aminokis. metionin), postoje 64 kodona, između aminokis. se stvaraju peptidne veze i one se oslobađaju od ribosoma, translacija završava kada ribosom dođe do stop kodona (UAA, UAG, UGA) koji ne nose inf. ni za jednu amiokis. te se biosinteza bjelančevina prekida →jednu mol. mRNA istodobno mogu čitati više ribosoma (nakupine ribosoma poliribosomi ili polisomi)

-prokarioti: transkripcija i translacija su povezani-odvijaju se u istom stan. prostoru (jezgra nema ovojnicu), molekula RNA se ne obrađuje jer nema intronske dijelove

Mendelovi zakoni naslijeđivanja

Mendel: istraživao nasljednost svojstava križajući vrtni grašak

ČISTA LINIJA: biljke kojima se ista osobina ponavlja u svim generacijama nakon samooplodnje, u kontroliranom križanju one su parentalna/roditeljska generacija (P), generacije potomaka su prva filijalna (F1), druga filijalna (F2) itd. →klonovi: genetički identični

-hibrid prima od svakog roditelja po jedan alel: 2 alela (alternativna oblika gena) smještena su na istom mjestu (lokus) homolognog para kromosoma i čine 1 gen, diploidni org. ima dva seta homolognih krom. – 2 para alela-lokus: položaj određenog gena a) homozigotni – ima istovjetne alele gena (AA ili aa), b) heterozigotni – dva alela jednoga gena su različiti (Aa)

- aleli i geni mogu biti: dominantni – potpuno izraženi, imaju vidljiv učinak recesivni – nemaju vidljiv učinak

-monohibridi: heterozigoti za jedno svojstvo (križanci F1) →monohibridno križanje: samooprašivanje F1 generacije

GENOTIP: genetička struktura jedinke – svi geni nekog organizmaFENOTIP: rezultat međudjelovanja genotipa i okoliša – vanjski izgled, svaka morfološka osobina vidljiva golim okom, fenotipski omjer F2 generacije je 3:1, jedinke dominantnog fenotipa mogu biti homozigoti (AA) ili heterozigoti (Aa) →genotip jedinke dominantnog fenotipa određuje se test-križanjem

-križanje: a) monohibridno s dominacijom – križanjem 2 homozigota svi potomci F1 gen. su jednaki, križanjem 2 heterozigota fenotipski omjer potomaka je 3:1 u korist dominantnog svojstva b) intermedijalno križanje – križanjem 2 homozigota potomci F1 gen. su jednaki ali s 3. svojstvom, križanjem 2 heterozigota fenotipski omjer potomaka je 1:2:1

Test-križanje: križanje jedinke dominantnog fenotipa s jedinkom recesivnog fenotipa koja je homozigotna za to svojstvo, ako su svi potomci jednakog fenotipa onda je dominantni roditelj homozigot (AA)

Povratno križanje: križanje potomka s jedinkom roditeljskog fenotipa ako je jedinka roditeljskog fenotipa recesivni homozigot Mendelov prvi zakon / zakon razdvajanja (segregacije): -par alela za jedno svojstvo se razdvaja (segregira) prigodom stvaranja gameta, -osnova segregacije – razdvajanje kromosoma tijekom anafaze i prve ili druge mejoze -homozigot: nosi istovjetne alele za neku osobinu (AA) i stvara istovjetne gamete koje imaju jednu kopiju tog alela (A) -heterozigot: nosi različite alele za neku osobinu (Aa) i stvara dvije vrste gameta (50% s dominantnim alelom-A i 50% s recesivnim alelom-a)

-kod ljudi eksperimentalna križanja nisu moguća ali se informacija o nasljeđivanju može dobiti analizom obitelji odnosno praćenjem određenih osobina putem rodoslovlja: -rodoslovlje/rodoslovno stablo: dijagramski prikaz obiteljskog stabla kroz nekoliko generacija koji pokazuje povezanost između predaka i potomaka