GENETIKA 1
Z HISTORIE GENETIKY Zakladatel genetiky Gregor Mendel (1822-1884) Zdroj: Kronika medicíny, Fortuna Press 1994
Mendelovi nástupci v roce 1910 T. H. Morgan vyslovil hypotézu, že geny jsou uloženy na specifických útvarech chromozomech v roce 1941 G. Bedle a E. Tatum ukázali, že mutace na specifických místech genomu způsobují chyby v metabolických drahách; navrhli postulát jeden gen = jeden enzym v roce 1944 O. Avery, C. Macleod a M. McCarty objevili, že molekula DNA nese genetickou informaci Zdroj: Kronika medicíny, Fortuna Press 1994 Thomas H. Morgan 3
OBJEV STRUKTURY DNA v roce 1953 James D. Watson a Francis Crick představili strukturu molekuly DNA. Společně formulovali centrální dogma molekulární biologie: proteiny se vyrábějí v organismu z RNA, která se přepisuje z DNA toto dogma má některé výjimky www.achievement.org 4
Human Genom Project byl zahájen v roce 1990 pod vedením J. Watsona jde o projekt sponzorovaný vládou USA samotné rozklování genomu bylo započato v roce 2000 a dokončeno v roce 2003 výsledky se stále zpracovávají a průběžně se publikují nové články paralelní projekt byl proveden soukromou společností Celere Genomics 5
Velikosti genomů organismus velikost genomu (páry bází) poznámka virus, bakteriofág MS2 3 569 první rozluštěný RNA genom virus SV40 5 224 virus, fág Φ X174 5 386 první rozluštěný DNA genom virus, fág λ 50 000 bakterie Haemophillus influenzae 1 830 000 první genom živého organismu, červenec 1995 bakterie Carsonella rudii 160 000 nejmenší nevirový genom bakterie Buchnera aphidicola 600 000 bakterie Wigglesworthia glossinida 700 000 bakterie Escherichia coli 4 000 000 prvok Amoeba dubia 670 000 000 000 6
pokračování tabulky rostlina Arabidopsis thaliana 157 000 000 rostlina Genlisea margaretae 63 400 000 první rostlinný genom, prosinec 2000 dosud nejmenší genom kvetoucí rostliny, 2006 rostlina Frittilaria assyrica 130 000 000 000 rostlina Populus trichocarpa 480 000 000 první genom stromu, září 2006 kvasinka Saccharomyces cerevisiae plíseň Emericella (Aspergillus) nidulans 20 000 000 pivní kvasinka 30 000 000 hlíst Caenorhabditis elegans 98 000 000 hmyz Drosophila melanogaster hmyz Bombyx mori 130 000 000 octomilka první genom mnohobuněčného živočicha, prosinec 1998 530 000 000 bourec morušový hmyz Apis mellifera 1 770 000 000 včela medonosná 7
pokračování tabulky ryba Tetraodon nigroviridis 385 000 000 čtverzubec, nejmenší známý genom obratlovce savec Homo sapiens 3 200 000 000 ryba Protopterus aethiopicus 130 000 000 000 bahník východoafrický, největší známý genom obratlovce 8
LIDSKÝ GENOM zpočátku vědci odhadovali, že se v lidském genomu nachází až na 150 tisíc genů podle harvardské bioinformatičky Michele Clampové je to 20.488 genů do budoucna by jich mohla přibýt nanejvýš stovka i61.photobucket.com 9
Lidské chromozomy Buněčné jádro je jako knihovna, která obsahuje 23 párů knih - chromozómů. V každém buněčném jádru každé buňky je celý lidský genom. 10
Struktura DNA DNA kóduje proteiny. Jsou to fyzické součástky a nástroje, ze kterých je utvořen lidský organismus. 11
Kódované aminokyseliny 12
Chromozomy a geny Jednotlivé geny jsou napsány na chromozomech jeden za druhým. Platí pravidlo 1 gen = 1 protein (součástka) 13
Člověk potřebuje k realizaci svých výtvorů pracovní nástroje a pomůcky. Stejně tak tomu je v lidském organismu. Pracovními nástroji jsou zde enzymy geneticky kódované kyseliny. 14
Příklady některých proteinů geneticky naprogramovaných součástek 15
Zjednodušený model lidské protilátky IgG1 (kappa) Základní čtyřřetězcová struktura v oblasi (Vh, Ch1 atd.). V značí variabilní, C konstantní oblast. Jsou znázorněna místa štěpení pepsinem a papainem. Za povšimnutí stojí pozice inter- a intrařetězcových disulfidových vazeb 16
Svalové bílkoviny aktin a myozin Svalové vlákno je složeno z aktinu a myozinu 17
Svalový stah Model posunujících se vláken vysvětluje svalový stah Cyklus změn, pomocí nichž dochází ke kráčení molekul myozinu podél aktinového filamenta 18
Vedení nervového vzruchu acetylcholinový receptor Acetylcholinový receptor blokovaný kobřím jedem 19
Hemoglobin Model molekuly hemoglobinu 20
Iontové kanály v buněčné membráně otevřený a zavřený draslíkový kanál iontové kanály v buněčné membráně tzv. Na-K pumpa draslíkový kanál K + 21
Inzulin jeho struktura 22
Inzulin variabilita struktury u savčích druhů živočišný druh odchylné aminokyseliny (od lidské sekvence) řetězec A, pozice řetězec B, 8 9 10 pozice 30 člověk Thr-Ser-Ile Thr prase, pes vorvaň Thr-Ser-Ile Ala králík Thr-Ser-Ile Ser skot, koza Ala-Ser-Val Ala ovce Ala-Gly-Val Ala kůň Thr-Gly-Ile Ala velryba Ala-Ser-Thr Ala 23
Sekrece inzulinu a hladovění Relativní změny metabolických parametrů během začátku hladovění Inzulin je v každém sekrečním váčku skladován ve vysoce koncentrované formě a je uvolněn, jen pokud buňka dostane signál k sekreci v podobě zvýšení hladiny glukózy v krvi 24
Proteiny jsou v organismu poměrně hojně zastoupeny Přibližné složení bakteriální buňky (složení živočišné buňky je podobné) Tři skupiny makromolekul: každá z nich je vytvořena z malých molekul spojených kovalentními vazbami 25
Proteiny mají adresní sekvence štítky, podle nichž jsou dopravovány do předem určených oblastí Některé typické adresové sekvence 26
Na tomto místě si uvědomme, jak je co v organismu velké Velikosti buněk a jejich částí; jednotky, ve kterých se tyto velikosti měří 27
Názorné srovnání velikostí živých buněk a atomů Ani s použitím nejsilnějších elektronových mikroskopů není možné vidět jednotlivé atomy, ze kterých jsou tvořeny molekuly 28
Různé živočišné druhy sdílejí tytéž genetické mechanismy Různé živočišné druhy sdílejí tytéž genetické mechanismy. Dítě i myš na obrázku mají stejnou bílou skvrnu na čele. Oba mají poškozený stejný gen (zvaný kit ), který je potřebný pro vývoj a udržování pigmentových buněk. 29
GENETICKÉ CHYBY při přepisování informace z DNA na DNA vznikají chyby; většina jich v lidském organismu tolik nevadí říkáme jim polymorfismy; zapříčiňují, že každý člověk je originál řada genetických chyb určuje genetické choroby, některé genetické chyby jsou neslučitelné s životem loni byla udělena Nobelova cena za experimenty prováděné na myších; postupně se klonovaly myši s jedním genem vypnutým; zjišťovalo se, jaké mají anomálie; některé brzy zemřely na rakovinu, jiné byly obézní, některé byly nápadně svalnaté, ale velká většina se jich ale vůbec nenarodila; tyto myši byly nazvány knock out myši 30
Druhy genetických chyb 31
Druhy genetických chyb 32
Druhy genetických chyb 33
Druhy genetických chyb 34
Druhy genetických chyb 35
Onemocnění vyvolaná genovou mutací Dnes je známo mnoho monogenových chorob, kdy s jednou mutací je spojena jedna typická choroba. Jde o choroby jako například cystická fibróza, srpkovitá anemie, Duschenova a Beckerova svalová dystrofie, Leidenův syndrom ad. 36
Léčba genových mutací Dosud navrhované terapie jsou pomocí naočkovaných virových nosičů 37
Vznik nového organismu Poslední, 23. pár chromozomů určuje pohlaví člověka. Chlapci jsou mnohem náchylnější na dědičné mutace od matek, které jsou na X chromozomu, protože se vliv těchto genů nemůže vykompenzovat druhým párem chromozomu. To je třeba případ barvosleposti. Vajíčko a spermie jsou jediné dvě buňky lidského organismu, které obsahují pouze jednu sadu chromozómů a nikoliv dvě, jako je tomu u všech ostatních buněk. 38
MEIÓZA vznik pohlavní buňky MEIÓZA MÁ DVĚ FÁZE První meiotické dělení: protože rozchod maternálních a paternálních chromozomů do gamet je náhodný, jsou původní mater. a pater. chromozomy smíšeny v různých kombinacích. U některých buněk může meióza trvat mnohem déle než mitóza (např. u lidských oocytů to může být až 50 let Zatím není známo, jak se mohou homologní chromozomy navzájem rozpoznat. 39
MEIÓZA A MITÓZA Mitóza je dělení, při němž vznikají dvě buňky s identickou genetickou výbavou. Je typické pro buňky různých tkání. Meióza je dělení, při něm vznikají dvě buňky s polovičním počtem chromozomů gamety, pohlavní buňky Občas meióza probíhá a homology se od sebe neoddělí. Některé vzniklé haploidní buňky pak mají určitý chromozom nadbytečný zatímco jiným chybí. 40
METABOLISMUS výrobní software organismu Citrátový cyklus střed metabolismu Metabolismus je popis výrobních procesů v organismu. Na přeměňování jedné molekuly na druhou slouží enzymy přesně naprogramované proteinové nástroje v genomu. 41
GLYKOLÝZA A CITRÁTOVÝ CYKLUS Poskytují výchozí látky pro syntézu mnoha důležitých biologických molekul. Aminokyseliny, nukleotidy, lipidy a sacharidy zde jako produkty pak dále slouží jako výchozí látky pro mnoho makromolekul buňky. Černé šipky = jednotlivé enzymem katalyzované reakce. Červené šipky = dráhy s mnoha kroky, které jsou nutné k tvorbě uvedených produktů. 42
Katabolické a anabolické dráhy Zatímco jeden druh enzymů a metabolických drah rozebírá molekuly na menší a lépe využitelné součásti, druhý druh enzymů a metabolických drah slouží pro sestavování molekul nových podle řízených potřeb organismu. Schématické znázornění vztahu mezi katabolickými a anabolickými dráhami v metabolismu. Velká část energie uložené v chemických vazbách unikne jako teplo, a proto je hmotnost potravy, kterou organismus čerpající energii z katabolismu potřebuje, mnohem větší než hmotnost molekul, které mohou být vytvořeny v anabolismu. Naproti tomu živé buňky nejenže udržují pořádek na každé úrovni, ale dokonce ho samy vytvářejí: od makroskopické stavby motýla či květiny až po uspořádání atomů v molekulách, z nichž se tyto organismy skládají. 43