Genetika zvířat - MENDELU

Transkript

1 Genetika zvířat DNA - primární struktura Několik experimentů ve 40. a 50. letech 20. století poskytla důkaz, že genetický materiál je tvořen jedním ze dvou typů nukleových kyselin: DNA nebo RNA. DNA je genetickým materiálem všech živých organizmů a některých virů a RNA je genetickým materiálem u ostatních virů. DNA a RNA jsou polymery - velké molekuly, které jsou složeny z mnoha podobných menších molekul, zvané monomery, které jsou spolu vázané. U nukleových kyselin se nazývají nukleotidy. Každý nukleotid je tvořen třemi dílčími molekulami: cukrem pentózou, dusíkatou bází a fosfátovou skupinou. Cukr pentóza je v DNA deoxyribóza a cukr v RNA je ribóza. Oba cukry se liší chemickými skupinami vázanými na 2' uhlíku: atom vodíku (H) u deoxyribózy a hydroxylovou skupinu (OH) u ribózy. V DNA a RNA, jsou báze vždy napojeny na pentózu přes 1' uhlík kovalentní vazbou.

2 Kombinace cukru a báze se nazývá nukleosid. Po přidání fosfátové skupiny k nukleosidu vzniká nukleosid fosfát, nazývaný jako nukleotid. Fosfátová skupina (PO 4 2- ) je napojena na 5' uhlík cukru u DNA a RNA. Nomenklatura bází Báze/nukleotid Nukleosid Zkratka adenin adenosin A guanin guanosin G cytozin cytidin C uracil uridin U

3 Báze/nukleotid Nukleosid Zkratka tymin tymidin T Níže je popsán segment polynukleotidového řetězce, v tomto případě jeden řetězec DNA. Cukry deoxyribózy jsou vázané fosfodiesterovými vazbami mezi 3' uhlíkem jednoho cukru a 5' uhlíkem následujícího cukru. Fosfodiesterové vazby jsou relativně silné, takže opakovaná cukr-fosfát-cukr-fosfát- - - páteř DNA nebo RNA je stabilní struktura. DNA a RNA jsou makromolekuly složené z malých stavebních bloků zvané nukleotidy. Každý nukleotid obsahuje pětiuhlíkový cukr (deoxyribózu v DNA, ribózu v RNA), ke kterému je připojena fosfátová skupina a jedna ze čtyř dusíkatých bází: adenin, guanin, cytozin, a tymin (v DNA) nebo adenin, guanin, cytozin a uracil (v RNA). DNA - sekundární struktura V roce 1953, James D. Watson a Francis H. C. Crick publikovali velmi důležitý článek, v kterém popsali navrhovaný model fyzikální a chemické struktury molekuly DNA. Jejich navržený model, který odpovídá všem známým datům o složení molekuly DNA, je dvoušroubovicový model DNA.

4 Nukleotidy se k sobě váží vždy guanin s cytozinem a adenin s tyminem - tzv. Watson-Crickovo párování bází. DNA molekula je složena ze dvou řetězců, které jsou obtočené kolem sebe a podobá se pravotočivě stočenému žebříku, jehož strany, tvořené molekulami curku a fosfátu, jsou spojené příčkami dusíkatých bází. Každý řetězec je lineární uspořádáním opakujících se jednotek, nukleotidů, které jsou složené z jednoho cukru, jednoho fosfátu a dusíkaté báze. Watson-Crickův dvoušroubovicový model DNA Dva řetězce jsou antiparalelní (vykazují opačné polarity); tj. že dva řetězce jsou orientované v opačných směrech, kdy jeden řetězec je orientován ve směru 5-3 a druhý řetězec je orientován 3-5. Zjednodušeně, 5 konec je "hlavou" řetězce a 3 konec je "koncovou částí", antiparalelní znamená, že hlava jednoho řetězce je naproti koncové části druhého řetězce a naopak. Cukr-fosfátové kostry jsou na vnější straně dvouřetězce a báze jsou orientované do středu osy. Báze v každém ze dvou řetězců jsou vázány navzájem vodíkovými vazbami, které jsou relativně slabými chemickými vazbami. Adenin je vázán k tyminu (dvě vodíkové vazby) a guanin s cytozinem (tři vodíkové vazby). Páry bází A-T a G-C tvoří fyzický prostor helikálního modelu a jejich uspořádání je podle Chargafových pravidel. Specifita párů se nazývá komplementarita párů bází, takže nukleotidová sekvence jednoho řetězce určuje nukleotidovou sekvenci druhého. Páry bází jsou vzdáleny od sebe 0,34 nm. Kompletní otáčka (360 ) helixu měří 3,4 nm a zahrnuje 10 párů bází. Průměr helixu je 2 nm. V důsledku vazeb mezi bázemi nejsou oba řetězce dvoušroubovice rovnoměrně odděleny od sebe vůči centrální ose. Z toho důvodu vznikají žlábky různě velké: větší žlábek a menší žlábek.

5 Struktura RNA RNA má podobnou strukturu jako DNA. Molekula RNA je polymer RNA nukleotidů (ribonukleotidů), které obsahují cukr ribózu. Tři ze čtyř bází v RNA jsou stejné jako u DNA: A, G, a C. Odlišnou bází v RNA je uracil (U), který nahrazuje tymin (T). V buňce jsou různé formy RNA - mediátorová RNA (mrna), transferová RNA (trna), ribozomální RNA (rrna), velká skupina rozdílných malých jaderných RNA (snrna) - všechny jsou jednořetězcové molekuly. Anatomie a funkce genů Historický pohled na definici genu: Definice : Gen jako diskrétní jednotka dědičnosti (pojem gen byl poprvé použit Wilhelmem Johannsenem v roce 1909, na základě konceptu dědičné jednotky popsaném Gregorem Mendelem v roce1866). Definice 1910: Gen jako odlišitelný lokus (gen byl abstraktní entitou, jejíž existence byla prokazována podle fenotypů, které se objevovaly mezi generacemi) Definice 1940: Gen jako plán pro protein (koncept jeden gen, jeden enzym, který se později stal konceptem jeden gen, jeden polypeptid - gen je považován jako informace projevující se individuálními molekulami v biochemické dráze) Definice 1950: Gen jako fyzická molekula (Geny byly chápány jako funkční jednotky dědičnosti, ale také jako strukturní jednotky dědičnosti, neboť se předpokládalo, že k rekombinacím dochází jedině mezi geny a ne uvnitř genů. To bylo roku 1940 vyvráceno po objevu rekombinaci uvnitř genu při studiu dvou mutací v jednom genu. Takto chápaný gen je lineární sekvencí nukleotidových párů, které mohou mutovat a rekombinovat se nezávisle na sobě. Funkční pojetí genu lze chápat jako jednotku, která je dělitelná mutací a rekombinací) Definice 1960: Gen jako kódovaný transkript (gen je kód v nukleové kyselině, která produkuje funkční produkt - protein, RNA. Zde se funkční definice genu propojuje se strukturní definicí.) Definice : Gen jako sekvence otevřeného čtecího rámce (ORF) (koncept nominálního genu, který je definován svou sekvencí a ne lokusem odpovědným za fenotyp. Identifikace genů v sekvenovaných genomech je založena na porovnávání podobností jejich sekvencí s ostatními známými geny.). Definitice : Anotovaná genomická entita, entity, uváděná v databázích - Sequence Ontology Consortium nazvala genem lokalizovatelnou oblast genomické sekvence, korespondující s jednotkou dědičnosti, která je asociována s regulačními oblastmi, transkribovanými oblastmi, nebo ostatními funkčními oblastmi sekvence DNA). Současná počítačová metafora genu: Geny jako podprogramy v operačním systému

6 genomu OSG (To znamená, že pokud nukleotidy genomu dávají dohromady kódovanou informaci, která je spuštěna v rámci procesů transkripce a translace, pak můžeme o genomu uvažovat jako o operačním systému pro živé organizmy. Geny jsou pak jednotlivé podprogramy v rámci tohoto celkového systému, které jsou opakovaně spouštěny v procesu transkripce.) Závěr Gene je základní jednotka dědičnosti v živém organizmu. Všechny živé organizmy závisí na genech. Geny nesou informaci, která vytváří a udržuje své buňky a přenáší je na potomstvo. Gen je segment nukleové kyseliny, který specifikuje vlastnost, je asociován s regulačními sekvencemi, transkribovanými sekvencemi a nebo s funkčními sekvencemi genomu. Hovorově používaný termín gen je často myšlen pro termín alela. Fyzický vývoj a fenotyp organizmu lze také chápat jako produkt genů, které interagují se sebou navzájem a s prostředím. Funkční struktura genu Všechny geny mají regulační oblasti před vlastní kódující sekvencí pro protein či jiné RNA produkty. Regulační oblast se nazývá promotor, který určuje pozici pro rozpoznání místa nasednutí RNA polymerázy a zahájení transkripce. Gen může mít i více než jeden promotor. Dalšími regulačními oblastmi jsou enhancery, které mohou vykompenzovat účinnost promotoru. Většina regulačních oblasti jsou na 5 konci ("upstream"), kde se iniciuje transkripce. Eukaryotický promotorové oblasti jsou mnohem komplexnější než prokaryotické promotory. Mnoho prokaryotických genů je organizováno do operonů nebo skupin genů, jejichž produkty mají spojené funkce a které jsou transkribovány jako jednotka. Naopak, eukaryotické geny jdou transkribovány pouze jednou, ale mohou obsahovat sekvence zvané introny, které jsou transkribované, ale nejsou přeloženy do proteinu (jsou vystřiženy z primárního transkriptu před translací).

7 Dokument byl vytvořen: :41:48 Zdroj: