Wykłady z przedmiotu:

Genetyka i parazytologia lekarska

dr Henryk St. Różański

strona archiwalna

Genetyka z parazytologią lekarską

Wprowadzenie do genetyki

Kwasy nukleinowe jako nośniki informacji genetycznej.
Poglądy dawne i współczesne. Początki genetyki.

W 1868 r. Miescher wyizolował z komórek wydzieliny ropnej substancję bogatą w fosfor, którą nazwał nukleiną. W 1871 Kossel wyodrębnił ten sam związek z komórek grasicy thymus i wykazał jego kwasowy charakter, nazwał go więc kwasem tymonukleinowym (grasicowym). Potem kwas tymonukleinowy nazwano kwasem dezoksyrybonukleinowym DNA. W latach późniejszych z komórek drożdży wyizolowano kwas drożdżowy, obecnie nazywany kwasem rybonukleinowym RNA. Wykrycie tych substancji nie oznaczało jednak przypisania im roli nośników cech dziedzicznych.Niewątpliwie jednak do takiego stwierdzenia przyczyniły się teorie szwajcarskiego botanika Karola Wilhelma Naegeli`ego (1817-1891). W teorii Naegeli`ego dopatrzyć się można nowego kierunku w biologii - ortogenetycznego (czyli mechanolamarckistycznego). Naegeli główną przyczynę ewolucji upatrywał w czynnikach wewnętrznych, tkwiących w samym organizmie. Czynniki środowiska pełnią rolę drugorzędną w ewolucji. Czynniki wewnętrzne zawarte są w idioplazmie komórek, zbudowanej z miceli. Idioplazma posiada zdolność doskonalenia się i komplikowania struktury, a jej tendencje przenoszone są następnie na cały organizm; objawia się to zmiennością osobnika. Idioplazma jest więc materiałem dziedziczonym przez kolejne pokolenia, poprzez gamety (komórki płciowe). Zdaniem Naegeli`ego, czynniki wewnętrzne mieszczące się w idioplazmie płciowej, w trakcie rozwoju ustroju, rozpraszają się do wszystkich komórek somatycznych, wykazując przy tym odpowiednią ekspresję (działanie). Idioplazma decyduje o kierunku ewolucji. Wewnętrzna dążność organizmu do zmian w określonym kierunku – nazwał Naegeli – zasadą doskonalenia. Czynniki zewnętrzne mogą zmienić tylko cechy adaptacyjne (np. wysokość pędu, wielkość liści) nie zaś cechy gatunkowe, zależne od czynników wewnętrznych (idioplazmatycznych). Naegeli był przeciwnikiem darwinizmu.

         Teoria Naegeli`ego pomimo, ze nie była w całości słuszna, to jednak po raz pierwszy głosiła zależność zmian ewolucyjnych organizmu od czynników wewnątrzkomórkowych, a nie środowiskowych. Niestety założenia Naegeli`ego wkrótce po ogłoszeniu zostały poddane nadinterpretacji lub psycholamarckistycznej interpretacji przez autorów o poglądach witalistycznych.

         Naegelizm miał też korzystny (twórczy) wpływ na postępy ewolucjonizmu. Był podstawą do rozwoju weismanizmu.

         August Weismann (1834-1914) stworzył szkołę neodarwinizmu i teorię plazmy zarodkowej, przyczyniając się zarazem do obalenia lamarckistycznym poglądów o dziedziczeniu cech nabytych. Zdaniem Weismanna istnieją dwie wielkie kategorie żywej materii: substancja dziedziczna, czyli idioplazma i substancja ożywcza, czyli trofoplazma /Weismann 1892/. Idioplazma zawarta w jądrze komórkowym zawiera nośniki dziedziczności – biofory. Trofoplazma odżywia idioplazmę. Idioplazma nigdy nie powstaje na nowo w zapoczątkowanym organizmie, lecz istnieje od dnia pojawienia się danego gatunku na Ziemi. Plazma zarodkowa z bioforami przekazywana jest z pokolenia na pokolenie przez komórki płciowe. Stąd wynika ciągłość i nieśmiertelność idioplazmy. Plazma zarodkowa i tym samym cechy wrodzone nie ulegają zmianom pod wpływem środowiska. Środowisko może kształtować jedynie trofoplazmę – część niedziedziczoną i śmiertelną.

Gameta żeńska i męska niosą w sobie różne cechy dziedziczne, które ulegają w trakcie zapłodnienia “wymieszaniu”; w potomstwie więc jedne cechy rodzicielskie są potęgowane i wzmacniane, inne – “zagłuszane”. Potomstwo więc nigdy nie jest wierną kopią organizmów macierzystych, bo posiadają cechy indywidualne (zgodnie z darwinizmem). Dobór naturalny preferuje spośród licznych cech, tylko te najstosowniejsze w określonych warunkach, przyczyniając się w ten sposób do ich zachowania lub eliminacji. Biofory determinują charakter strukturalny i funkcjonalny komórek w trakcie różnicowania tkanek organizmu.

            Weismann, przy tworzeniu systemu swoich teorii posłużył się dotychczasowymi osiągnięciami biologii, własnymi wynikami badań z zakresu embriologii oraz metodą rozumowej analizy i syntezy poznanych faktów. W wielu kwestiach Weismann został potwierdzony metodami eksperymentalnymi i przyjęty przez biologów.

Weismanizm był ostro zwalczany przez lamarckistów, neolamarckistów i darwinistów (Haeckel): Spencer podobnie jak i ja sam, walczył stanowczo od początku samego przeciwko teoryi Weismanna “o plazmie zarodkowej”.

(...). Jeżeli zaś ktokolwiek wspólnie z Weismannem zaprzecza działalności “dziedziczenia postępowego”, musi się wtedy uciec do mistycyzmu, a najlepiej już jest przyjąć wprost zasadę “cudownego stworzenia poszczególnych gatunków”. /Haeckel 1902/.

W XX wieku weismanizm znalazł niezwykle aktywnych przeciwników wśród entuzjastów miczurinizmu, łysenkizmu i tzw. twórczego darwinizmu radzieckiego, przede wszystkim w krajach socjalistycznych.

Teorię Weismanna rozwijali i uaktualniali w latach późniejszych mutacjoniści.

         Hugo de Vries (1848-1935), holenderski botanik, prowadził od 1886 roku badania nad zmiennością wiesiołka Oenothera lamarckiana. Zauważył, że powstawanie nowych mieszańców wiesiołka odbywa się w pewnych odstępach czasu, przez nagłe pojawianie się cech od razu dość daleko odbiegających od typu rodzicielskiego. Zaobserwowane nowe, odróżniające cechy były trwałe i dziedziczone. Szybko stwierdził, że potężne mutacje (makromutacje) prowadzą do powstania nowych gatunków (makrogeneza), które następnie poddane zostają selekcji naturalnej. Każdy gatunek podlega makrogenezie w jakimś czasie. Uważał, że właśnie wiesiołek przechodzi w owym czasie przez takie procesy. Opisał więc nowe gatunki wywodzące się z wiesiołka Lamarcka. Niestety późniejsze badania wykazały, że makromutacje są w rzeczywistości mikromutacjami i przyczyniły się do powstania jedynie mieszańców i odmian. Należy jednak zwrócić uwagę, że do czasów współczesnych opisuje się “nowe” gatunki powstałe drogą mutacji, tworząc przez to gatunki wybitnie niestabilne genetycznie i fenotypowo z rodzaju Cuscuta, Euphrasia, Melampyrum, Epilobium i in.

H. de Vries negował możliwość stopniowego nagromadzania się drobnych zmian, prowadzącego w efekcie do zmienności organizmów i powstawania nowych odmian, a nawet gatunków. Skokowe dziedziczne zmiany w organizmie określił mianem mutacji. Mutacje, a zarazem zmienność uważał za główne czynniki ewolucji. Selekcja naturalna jedynie eliminuje organizmy słabiej przystosowane. Mutacje mogą być korzystne, obojętne lub prowadzące osobnika do zagłady podczas walki o byt.

Wyniki swoich badań nad zmiennością mutacyjną i system teorii mutacjonistycznych zawarł w pracy Die Mutationstheorie, opublikowanej dopiero w 1901 roku.

W rozumieniu mutacjonistycznym do pogłębienia lub nawet rozwoju pasożytnictwa u roślin przyczyniła się, np. mutacja genu kodującego enzym niezbędny do syntezy chlorofilu; brak tego enzymu spowodował zanik chlorofilu i utratę zdolności fotosyntezy.

         Mutacjoniści uważani są przez niektórych autorów (Smirnow, Schmalhauzen) za antydarwinistów, bowiem selekcje sprowadzają jedynie do prostego odsiewu i sumowania oddzielnych mutacji. Doboru naturalnego nie traktują jako twórczego czynnika ewolucji, wywołującego przebudowę organizmu odpowiednio do nowej sytuacji w środowisku.

            Słynnymi propagatorami mutacjonizmu byli także: W. Bateson i H. Nillson-Ehle.

Bateson (hipoteza “obecność-nieobecność”) występowanie danej cechy u osobnika wiązał z obecnością determinującego ją genu (dominowanie), zaś zanik cechy – z recesywnością genu. Prowadził badania nad współdziałaniem genów w wyrażaniu cech u roślin.

Nillson-Ehle odkrył geny polimeryczne (kumulatywne) wpływające na wytworzenie cech ilościowych.

H. de Vries, C. Correns i E. Tschermak w 1900 roku ponownie odkryli zapomniane prawa Grzegorza Mendla (1822-1884).

Mendel prowadził doświadczenia nad mieszańcami roślin, których wyniki opublikował w II połowie XIX wieku: Badania nad mieszańcami roślin (1866 r.), O niektórych mieszańcach Hieracium uzyskanych ze sztucznego zapłodnienia (1870 r.). Ponadto Mendel ustalił prawo segregacji genów allelicznych (prawo czystości gamet) oraz zasadę dziedziczenia genów nieallelicznych. Stworzył podstawy do rozwoju nowej dyscypliny biologii – genetyki (datowanej jednak dopiero od 1900 r.).

W XX wieku nadał toczyły się spory dotyczące procesu dziedziczenia cech u roślin, powstawania nowych gatunków, adaptacji roślin do warunków środowiska, co w gruncie rzeczy odnosiło się również do kontrowersji wokół teorii ewolucji.

W 1910 roku Thomas Hunt Morgan (1866-1945) ogłosił teorię chromosomową według której chromosomy są nośnikami materialnych cząstek dziedziczenia – genów. Termin gen wprowadził Wilhelm Ludwik Johannsen (1857-1927) w 1909 r., dla określenia mendlowskich czynników warunkujących powstawanie cech. Morgan nadał temu terminowi materialne znaczenie. Teoria chromosomowa wkrótce rozrosła się za sprawą odkrywania i gromadzenia nowych faktów związanych z dziedziczeniem; wyodrębnił się nowy kierunek badań i teorii – morganizm. Szkoła Morgana przejęła koncepcję cytologa belgijskiego F.A. Janssensa (autor La théorie de la chiasmatypie, 1909 r.) o wymianie odcinków pomiędzy chromatydami chromosomów homologicznych i ją udowodniła; proces ten nazwano crossing-over.

Mutacje, crossing over i procesy ujęte w prawach Morgana uznano za źródła zmienności genetycznej organizmów. Odtąd tylko ta zmienność jest uważana za dziedziczną; jest czynnikiem zapewniającym ewolucję organizmów. Zmienność środowiskowa wywołana przez czynniki środowiska nie jest dziedziczona i dotyczy tylko fenotypu. Nie wszyscy biolodzy zgodzili się jednak z takim pojmowaniem zmienności. 

Iwan Miczurin (1855-1935) na podstawie uzyskanych wyników podczas krzyżowania wegetatywnego i płciowego roślin stworzył system teorii i uogólnień, które stały się podstawą rozwoju ideologii – miczurinizmu. W Związku Radzieckim, a następnie w krajach z nim sprzymierzonych, miczurinizm wyraźnie oddziaływał na kształtowanie ewolucjonizmu, genetyki, ekologii i fizjologii roślin, aż do II połowy lat pięćdziesiątych XX wieku. Miczurin uważany był za “wielkiego przeobraziciela przyrody”, który celowo przekształcał naturę roślin. Sam Miczurin pisał: przy interwencji człowieka możliwe jest zmuszenie każdej formy zwierzęcia lub rośliny do znacznie szybszych zmian, w kierunku pożądanym przez człowieka. Dla człowieka otwiera się więc obszerne pole najpożyteczniejszej dlań działalności /Miczurin 1948/.

Słuszności tego twierdzenia dopatrywano się w wyhodowaniu przez Miczurina ponad 300 nowych odmian drzew i krzewów owocowych, znacznie płodniejszych i odporniejszych na niesprzyjające warunki klimatyczne oraz glebowe. Miczurin głosił, że przy pomocy warunków środowiska zewnętrznego można pokierować nie tylko ontogenetyczną, lecz i także dziedziczną zmiennością roślin. Tajemnica tkwi jedynie w doborze odpowiednich warunków i metod. Dobierając odpowiednie warunki “wyrywające” roślinę z szeregu przystosowań będących wynikiem rozwoju historycznego i “rozchwiawszy” jej dziedziczność, można w pokoleniach dalszych przez odpowiedni dobór warunków uprawy otrzymywać szybko nowe odmiany, różniące się wybitnie od rodzicielskich zarówno morfologią jak i wymaganiami w stosunku do środowiska /Maksimow 1950, Żukowski 1951/. Najsilniej podlegają wpływowi otoczenia młode organizmy roślinne.

Był przekonany o przeobrażającym wpływie podkładki na naturę dziedziczną zraza i odwrotnie. Stworzył błędną teorię mentora, czyli “wychowawcy”. Jeżeli w mieszańcu wegetatywnym jeden z jego składników (podkładka lub zraz) ma przewagę na innym, wówczas pełni funkcję mentora. Mentorem może być wyłącznie składnik stabilny pod względem dziedziczności, starszy wiekowo. Funkcję mentorów pełnią więc nie tylko podkładki (jak się niekiedy sądzi), lecz także zrazy pobrane od drzew starszych, owocujących, stabilnych genetycznie. Wówczas takie zrazy-mentory zaszczepione na młodych sadzonkach przekazują im wartościowe cechy, kształtują je w odpowiednim kierunku. Zdaniem Miczurina, mentor przekształca mieszańca, nadając mu właściwości i cechy, które sam posiada. Mentorem można również “wychować” mieszańce pochodzące z hybrydyzacji płciowej, wtedy jednak mentor jest podkładką.

Niestety z czasem okazało się, że wiele wegetatywnych odmian mieszańcowych uzyskanych metodami Miczurina nie zachowało nabytych cech, stopniowy ich zanik przywracał pierwotny charakter rośliny. Mieszańce wegetatywne funkcjonowały wyłącznie somatycznie, nie były stabilne genetycznie i nie przekazywały cech nabytych dalszym pokoleniom w trakcie rozmnażania płciowego.

Miczurinizm w wielu kwestiach pokrywał się z założeniami lamarckizmu. Biolodzy radzieccy nie szukali jednak korzeni miczurinizmu w lamarckizmie, bowiem był on w ich przekonaniu przepojony “pierwiastkiem duchowym”, który nie “pasował” do materializmu dialektycznego.

Słynnym kontynuatorem niektórych teorii miczurinizmu był Trofim Łysenko (1898-1976), autor teorii “rozwoju stadialnego roślin”. Poglądy i uogólnienia Łysenki były na tyle specyficzne, że niesprawiedliwe jest podciągnięcie ich w całości do miczurinizmu. Łysenko wywodzi się wprawdzie ze szkoły Miczurina, wkrótce jednak stworzył własny system teorii, który śmiało można określić mianem łysenkizmu i zaliczyć jako osobną ideologię, podobnie jak miczurinizm – do wyższej jednostki ideologicznej - twórczego darwinizmu radzieckiego.

Według teorii Łysenki, do prawidłowego przebiegu poszczególnych stadiów rozwojowych rośliny niezbędne są czynniki środowiskowe (substancje pokarmowe, woda, powietrze, światło, odpowiednia temperatura). Przyczyn rozwoju należy szukać we współdziałaniu rośliny z warunkami bytowania. Powstanie i kształtowanie organów oraz cech rośliny związane jest z określonymi stadiami rozwoju. Łysenko wierzył w istnienie 4-5 stadiów, ale zbadał tylko dwa:

Stadium jarowizacji rozpoczyna się z chwilą indukcji rozwoju zarodka w nasieniu. Każdy gatunek i odmiana wymaga specyficznych warunków zewnętrznych dla przejścia stadium jarowizacji, np. zboża ozime muszą zostać wysiane jesienią, bo w początkach rozwoju wymagają niskiej temperatury; po wykiełkowaniu i wzroście przechodzą one zimę w stanie wegetatywnym, kwitną i owocują więc w roku następnym. Jeżeli ozime rośliny zostaną wysiane wiosną, to bez niezbędnych dla jarowizacji warunków będą wzrastały i rozwijały się, ale nie wydadzą kwiatów i owoców. Rośliny jare natomiast, przechodzą jarowizację w wyższych temperaturach w związku z czym, w tym samym okresie wegetacyjnym strzelają w kłos.

Stadium świetlne – okres rozwoju w którym rośliny wymagają dopływu światła.

Przechodzenie każdego stadium rozwojowego wiąże się z nieodwracalnymi zmianami jakościowymi protoplazmy komórek embrionalnych stożka wzrostu. Zmiany te są przekazywane wszystkim nowo powstającym komórkom. Stare komórki tej informacji nie nabywają, stąd w roślinie starszej różne części przechodzą przez różne stadia rozwojowe.

Łysenko, nawiązując do swoich odkryć i koncepcji, opracował metodę jarowizacji, polegającą na poddawaniu nasion działaniu określonych czynników zewnętrznych. Pod wpływem niskiej temperatury i przy ograniczonej (kontrolowanej) wilgotności w nasionach zachodzą procesy powodujące przejście ich do stadium reprodukcji. Dzięki temu możliwe jest wysianie nasion roślin ozimych wiosną, a nie jesienią. Według Łysenki, stosując metodę jarowizacji przedsiewnej do roślin jarych późno dojrzewających można przyśpieszyć ich rozwój: skracanie okresu wegetacji zbóż w strefach suszy i w rejonach północnych o krótkim lecie. Wprawdzie teoria Łysenki powinna mieć odniesienie do rolnictwa, to jednak istniały inne poglądy: Ani jedna z prac obejmujących w jakimkolwiek zakresie zagadnienia fizjologiczne, pojawiająca się już po powstaniu teorii rozwoju stadialnego roślin, nie mogła nie uznać poglądów rozwijanych w tej teorii /Maksimow 1950, s. XV/. Ponadto zbadanie każdego procesu fizjologicznego powinno być dokonane na zasadzie przebiegających w roślinie faz rozwojowych /Maksimow 1950/.

Łysenko tą teorią podpierał swoje poglądy ewolucyjne. W jego rozumieniu, ewolucja organizmów polega na pojawianiu się wielkich skokowych zmian. Skokowe zmiany mają charakter przystosowawczy i są wywołane czynnikami otoczenia. Zatem nowe gatunki wyodrębniały się nagle. Główne założenia Łysenki o skokowym przebiegu ewolucji wywodzą się z leninizmu: zmiany jakościowe następują nie stopniowo, lecz szybko, nagle, w postaci przeskoków od jednego stanu do drogiego /Żukowski 1951, s. 17, Lenin 1949-1950, 1978/. Łysenko stanowczo odrzucał darwinowskie prawo o konkurencji między osobnikami jednego gatunku. Walka o byt może odbywać się tylko między różnymi gatunkami. Niepowodzenia w uprawie lasów różnogatunkowych tłumaczył konkurencją międzygatunkową. Opracował więc program pokrywania nieużytków jednogatunkowymi lasami. Krytykował (sprowadzał je do mitu) osiągnięcia Mendla, Weismanna i Morgana. Każda żywa część organizmu, każda żywa struktura komórki (nie tylko chromosomy) jest podłożem cech dziedziczonych. Nowe cechy organizmów nabyte przez nie pod wpływem warunków bytowania są dziedziczone /Maksimow 1950, Żukowski 1951/.

Podczas sesji Wszechzwiązkowej Akademii Nauk Rolniczych im. Lenina w 1948 r., Łysenko wyjaśniał istotę zjawiska krzyżowania wegetatywnego; uczynił to zadając pytanie: Co się stanie, jeżeli nauczymy się żywić komórki jednej odmiany roślin gotowymi substancjami plastycznymi innej odmiany, czyli jak gdyby łączyć dwie natury roślin w jedną, tak jak to zachodzi przy zlewaniu się komórek płciowych ? Logicznie należałoby oczekiwać, że otrzymamy nowe komórki o nowych właściwościach. Inaczej mówiąc powinien powstać mieszaniec wegetatywny posiadający w mniejszym lub większym stopniu właściwości pierwszej i drugiej odmiany. Mieszańce takie nie powinny się moim zdaniem, zasadniczo różnić od mieszańców otrzymanych na drodze płciowej. (...). Wskutek szczepień zachodzą zmiany kierunkowe, adekwatne, powstają rośliny, które łączą cechy obu odmian połączonych szczepieniem... /Łysenko 1948, w: Żukowski 1951, s. 255-256/. Sformułowanie pytania i odpowiedzi w tej kwestii nasuwa kolejne pytanie, jednakże tym razem dotyczy ono parazytyzmu. Naturalnym przykładem dwóch współegzystujących komponentów roślinnych jest układ pasożyt-żywiciel. Pomimo, że pasożyt pobiera substancje organiczne z tkanek gospodarza, a nawet absorbuje zawartość komórek żywiciela i to niejednokrotnie przez kilkadziesiąt lat /Różański 2000/, to jednak nie przeobraża się pod jego wpływem i nie nabywa jego cech fenotypowych. Nie powstają przez to nowe dziedziczone cechy u pasożyta. Jest to kolejny dowód na to, że cechy organizmu zakodowane są w genach chromosomów, a samo “żywienie” danej rośliny “substancjami plastycznymi" innej rośliny nie wystarcza do powstania nowych dziedzicznych cech.

            Zmiany fenotypowe obserwowane przez Łysenkę u roślin, a pojawiające się pod wpływem czynników środowiskowych były niejednokrotnie fenokopią. Pozornie przypominają one następstwa mutacji. Nie są jednak dziedziczone. Fenokopia jest wynikiem oddziaływania danego czynnika (wysokiej lub niskiej temperatury, nadmiaru lub niedoboru aktywnego metabolicznie związku chemicznego) na produkty metaboliczne syntetyzowane pod kontrolą danego genu. Utrwalanie fenokopii w populacji nosi nazwę asymilacji genetycznej i jest wynikiem działania rekombinacji genetycznej oraz doboru naturalnego lub sztucznego. Pojęcie asymilacji genetycznej wprowadził C.H. Waddington w 1942 r.

Łysenkizm i miczurinizm stały się wkrótce narzędziem walki politycznej z ustrojem kapitalistycznym i z nauką krajów zachodnich. Krytykowano i odrzucano wszystkie teorie zachodnioeuropejskie, nawet te słuszne, których podstawy niejednokrotnie wywodziły się z osiągnięć rosyjskich uczonych:

Mendelowsko-morganowska genetyka, opierająca się na idealistycznych i metafizycznych poglądach o niezależności natury organizmu od środowiska zewnętrznego, o tak zwanej nieśmiertelnej “substancji dziedzicznej”, panująca prawie że niepodzielnie w krajach burżuazyjnych, dawno już odszczepiła się od fizjologii roślin i w badaniach swych jest praktycznie biorąc bezpłodna.

Przodująca genetyka miczurinowska (...) opiera się na fizjologii i przyczynia się do pogłębiania zagadnień fizjologicznych, w szczególności w dziedzinie fizjologii rozwoju roślin /Maksimow 1950, s. VI/.

Idealistyczne i metafizyczne poglądy weismanowsko-mendelowsko-morganowskie o niezmienności plazmy zarodkowej, o niezależności jej od pozostałego ciała rośliny, o niemożności powodowania celowych zmian w cechach dziedzicznych przez warunki zewnętrznego środowiska są ze względu na samą istotę sprawy obce fizjologii roślin i nie mogą przyczyniać się do jej rozwoju jako nauki eksperymentalnej /Maksimow 1950, s. XV/.

Chromozomowa teoria dziedziczności, oparta na metafizyce, a nie na dialektyce, nie mogła – rzecz prosta – stać się skutecznym narzędziem w produkcji roślinnej i zwierzęcej i rzeczywiście, okazała się bezpłodna. Prowadziła ona do odrzucenia darwinizmu, tj. wyrywała z rąk niezmiernie doniosłe osiągnięcia biologii. (...). Cios teorii chromozomowej zadali twórcy nowej biologii – Miczurin i Łysenko. (...). Miczurin i Łysenko są założycielami twórczego darwinizmu radzieckiego. Ich teoria wynika z materializmu dialektycznego, z prawa rozwoju przyrody. Ich teoretyczne tezy są nierozerwalnie związane z praktyką socjalistycznego rolnictwa, z powszechnymi potrzebami narodu /Żukowski 1951, s. 19/.

Biologia w bloku krajów socjalistycznych została upolityczniona i odizolowana od nauki krajów zachodnich. Biologia molekularna i genetyka klasyczna upadły. Teorie typowo naukowe wzbogacano w wyrwane z kontekstu cytaty polityków: W. Lenina i J. Stalina. Badania roślin miały zmierzać w ściśle określonym kierunku: aby podnieść plenność i zaspokoić potrzeby społeczeństwa socjalistycznego [Maksimow 1950, s. V-VI]. Badania roślin uległy więc zawężeniu i spłyceniu. Powstały liczne instytuty botaniczne, które jednak miały odgórnie ustalony program badań. Niektóre kierunki badań w ramach twórczego darwinizmu radzieckiego nie przyniosły żadnych rezultatów. Nie było miejsca i środków na badanie roślin pasożytniczych, chyba że w kierunku ich zwalczania, bo obniżały plon. Zwalczanie roślin pasożytniczych nie było jednak zbyt złożone i sprowadzało się wyłącznie do przenawożenia gleb.

Efektem hegemonii nauki radzieckiej w pozostałych krajach socjalistycznych było zahamowanie rozwoju nauk przyrodniczych oraz podręczniki nie odzwierciedlające aktualnego stanu wiedzy biologicznej, zwłaszcza w dziedzinie genetyki, biochemii, fizjologii i ewolucjonizmu. Następstwa tego okresu odczuwalne są do obecnych czasów.

            Twórczy darwinizm radziecki przyczyniał się do obalania i deformowania darwinizmu klasycznego:

         Darwin pisał: “Przyroda nie robi skoków”. Ta “stopniowa” ewolucja jest niezgodna z zasadami dialektyki. (...).

         Zagadnienie współzawodnictwa (walki o byt) w obrębie gatunku w ujęciu Darwina zostało w ostatnich czasach obalone przez Łysenkę, który wykazuje, że w przyrodzie istnieje ostra walka o byt tylko między różnymi gatunkami...

         Obalając istnienie konkurencji w obrębie gatunku, Łysenko uwidacznia tym samym maltuzjańskie pomyłki Darwina.

“Obecnie jest zupełnie niedopuszczalne, abyśmy zgadzali się z błędami teorii Darwina, powstałymi na podstawie maltuzjańskiej teorii przeludnienia, z której jakoby wynika istnienie walki w obrębie jednego gatunku” (Łysenko 1949 r.).

            Teoria Darwina spotkała się – jak wiadomo – na ogół z przychylną oceną klasyków marksizmu. (...).

Nigdzie darwinizm nie spotkał się z tak powszechnym uznaniem jak w Związku Radzieckim /Żukowski 1951, s. 16-18/.

W 1941 roku Iwan Szmalhauzen (1884-1963) przedstawił teorię doboru stabilizującego (Dobór stabilizujący i jego miejsce wśród czynników ewolucji), którą następnie rozwinął w pracy Czynniki ewolucji, w 1946 roku.

Wszystkie żywe organizmy charakteryzuje zdolność reagowania na wpływy środowiska. Ich procesy życiowe ulegają wówczas zmianom. Jednakże niektóre cechy organizmów wykazują stabilność. Istnieją zatem mechanizmy zapewniające ową stabilność cech i utrzymujące je na optymalnym poziomie. Stabilność istot żywych kształtowała się wraz z ich organizacją podczas ewolucji. Materialną podstawą ewolucji są mutacje. Zmienność mutacyjna nie jest ukierunkowana. Kierunek zapewnia dobór naturalny.

Dobór naturalny przybiera formę napędową lub stabilizującą.

Postać napędowa jest klasyczną darwinowską formą doboru, prowadzącą do powstawania nowych adaptacji, do przekształcania budowy i funkcji żywych istot, wytwarzania nowych typów organizacji. Ten dobór działa przy zmieniających się warunkach bytowania organizmów.

Dobór stabilizujący jest związany z eliminacją “nieudanych” modyfikacji, będących wynikiem przedwczesnych reakcji na przypadkowe, przemijające zmiany czynników zewnętrznych. Nierzadko organizm reaguje w nowych warunkach zmianami niekorzystnymi lub reaguje adekwatnie, ale na przypadkowe, krótkotrwałe zmiany czynników zewnętrznych. Takie reakcje są niekorzystne przy powrocie do normalnych warunków środowiska. Stąd wynika eliminacja takich osobników. Podtrzymywane jest życie i rozmnażanie osobników bardziej stabilnych.

Przy doborze stabilizującym zanika determinujące znaczenie zewnętrznych czynników rozwoju indywidualnego i wzrasta znaczenie czynników wewnętrznych, dziedzicznych. Stabilizacji podlegają wszystkie cechy organizacji, mające znaczenie dodatnie w danym środowisku. Przystosowawczość indywidualna przybiera nowe formy – ulega przekształceniu i różnicowaniu, osiągając późniejsze stadia rozwoju.

Szmalhauzen podkreślał, że teoria doboru stabilizującego nie jest teorią lamarckistyczną. Zwracał uwagę na powstanie trwałego aparatu dziedzicznego jako podstawy mechanizmu rozwoju indywidualnego i jego postępowej autonomizacji /Szmalhauzen 1975/.

         Teoria doboru stabilizującego wyjaśnia proces utrwalania się rezultatów osiągniętych w toku ewolucji. Umożliwia pełniejsze zastosowanie zasady historycyzmu do badań nad ewolucją organiczną. Dzięki tej teorii można analizować procesy ewolucyjne w konkretnych warunkach i naturalnych powiązaniach, nie wyrywając ich przy tym z powszechnego procesu ewolucyjnego. Dobór stabilizujący ustala określone normy reakcji, które sprawiają, że każda pojedyncza cecha może okazać się pożyteczna w rozmaitych konkretnych warunkach rozwoju /Smirnow 1976/.

         W 1942 roku angielski biolog Julian Sorell Huxley (1887-1975) sformułował pojęcie postępu ewolucyjnego. Według założeń Huxley`a każdy organizm przejawia postęp ewolucyjny, czyli dążenie do podniesienia swojej wydajności biologicznej. Wysoka wydajność biologiczna umożliwia przystosowanie się do otoczenia i tym samym prowadzi do maksymalnego opanowania środowiska, w którym organizm egzystuje. Proces ten zmierza także do uniezależnienia się od czynników zewnętrznych. Parazytyzm należy więc rozpatrywać zawsze w ramach postępu ewolucyjnego /Różański 2000/.

         W 1928 r. F. Griffith wykazał doświadczalnie zjawisko genetycznej transformacji. Zjawisko to polega na tym, że wyizolowany czysty DNA określonego szczepu bakterii podany innemu szczepowi jest pobierany przez komórki bakteryjne. Pod jego wpływem nabierają one własności takich, jakie miały komórki dawcy DNA. Griffith opisał zmianę bezotoczkowego szczepu R Streptococcus pneumoniaew szczep S mający otoczkę, który jest zjadliwy (wywołuje zapalenie płuc). Doświadczenie polegało na wstrzyknięciu myszom małą ilość niezjadliwych komórek R wraz z zabitymi komórkami S. Po pewnym czasie udało mu się wyizolować z myszy zjadliwe bakterie szczepu S. W 1944 r. Avery, McCarty i McLeod potwierdzili, ze czynnikiem przenoszącym właściwości tworzenia otoczki z zabitych bakterii S do niezjadliwych bakterii R jest DNA.

                W latach 1951-1952 Lederberg i Zinder oraz Hershey i Chase - poprzez zjawisko transdukcji - wykazali, że tylko DNA jest potrzebne do zakażenia komórki bakteryjnej wirusem. Transdukcja polega na przeniesieniu DNA z komórki bakterii dawcy do bakterii-biorcy za pośrednictwem bakteriofagów, czyli wirusów pasożytujących na bakteriach. Transdukcja zapewnia rekombinację (zmienność) genetyczną bakterii. Przeniesieniu ulega wówczas mały odcinek DNA dawcy.

Chromosomy

            Chromosomy to elementy jądra komórkowego, zawierające ułożone kolejno geny, warunkujące właściwości dziedziczne. Wg chromosomowej teorii dziedziczności Morgana – chromosomy są nosicielami cech dziedzicznych. Geny to materialne cząstki dziedziczenia.

                Chromosomy zawarte w komórce płciowej organizmu tworzą garnitur chromosomowymonoploidalną (najmniejszą) podstawową liczbę chromosomów. Pojedynczy, monoploidalny zespół chromosomów wraz z podstawowym zestawem zawartych w nim genów nosi nazwę genomu. Innymi słowy genom to suma wszystkich genów zawartych w podstawowym, monoploidalnym zestawie chromosomów. U organizmów prokaryotycznych genom to zespól wszystkich genów zawartych w genoforze.

Chromosomy są strukturami samoodtwarzającymi się, których liczba w komórce, kształt, umiejscowienie centromeru i organizacja są charakterystycznymi cechami gatunku. Komórka diploidalna 2n zawiera 2 zespoły chromosomów. Poszczególne chromosomy w jednym zespole są nawzajem niehomologiczne, ale każdy chromosom ma w drugim zespole podobnego strukturalnie partnera homologicznego, z którym może koniugować podczas mejozy. Komórki powstałe w mejozie (komórki płciowe) zawierają tylko 1 zespół chromosomów 1n, są więc haploidalne (monoploidalne).

            Matrix chromosomalne, czyli substancja podstawowa chromosomów zawiera nitkowate elementy zwane chromonemami (chromonemy), które przy podziale mitotycznym w postaci dwóch jednostek funkcjonalnych – chromatyd przechodzą w chromosomy potomne. Na chromonemach znajdują się zgrubienia – chromomery, uważane za miejsca lokalnej spiralizacji. Każda chromonema składa się z pasemek DNA. Niektóre chromosomy posiadają na końcach ramion nitkowate przewężenie z osadzoną kulistą główką – trabantem (satelitą). Trabanty pełnią funkcje jąderkotwórcze.

Morfologiczny obraz zespołu chromosomów metafazowych komórki danego gatunku określany jest mianem kariotypu (karyotyp). Podczas badania kariotypu bierze się pod uwagę długość, kształt, przewężenie i liczbę chromosomów. Kariogram jest fotograficznym obrazem zespołu chromosomów jednej komórki uszeregowanych systematycznie wg długości oraz położenia centromeru. Idiogram jest graficznym obrazem chromosomów.

         Chromosomy nie wpływające na płeć osobnika noszą nazwę autosomów. Oprócz autosomów komórki zawierają chromosomy płciowe – allosomy, które różnią się wielkością i oznaczane są symbolami X i Y. Chromosomy te determinują płeć. W komórkach somatycznych płci żeńskiej są spotykane allosomy XX – osobniki żeńskie są więc pod względem allosomów homozygotyczne. W komórkach płci męskich występują allosomy XY, zatem osobniki męskie pod względem allosomów są heterozygotyczne.

         W chromosomach występuje 1 lub kilka przewężeń i mogą one być pierwotne oraz wtórne. W pierwotnych przewężeniach zlokalizowane są centromery. Przewężenia dzielą chromosomy na ramiona różnej długości. Ich lokalizacja jest zawsze jednakowa u danego gatunku. Liczba chromosomów jest stała dla gatunku. U człowieka w komórkach diploidalnych występuje 46 chromosomów, zatem w komórkach płciowych jest 23 chromosomy (23 pary homologiczne). Chromosomy 1-22 to autosomy, chromosomy 23 to allosomy (u mężczyzny chromosom Y jest mniejszy od chromosomu X).

         Należy pamiętać, że chromosomy są skondensowaną formą chromatyny, przygotowaną do precyzyjnego rozdzielenia i przekazania potomnym komórkom w czasie mitozy (lub mejozy). Najbardziej charakterystyczny kształt przybierają chromosomy w metafazie mitozy. Wzdłuż centromeru, na jego powierzchni znajduje się kinetochor– struktura łącząca włókna wrzeciona podziałowego z choromosomami. Kinetochor składa się z 3 płytek równoległych do powierzchni chromosomu; w jego chemiczny skład wchodzą białka, które uczestniczą w wiązaniu włókienek wrzeciona i w procesach ruchu chromosomów w anafazie.

            Jak już wspomniano, centromer dzieli chromosom na dwa ramiona. Jeżeli chromosom podzielony jest centromerem na dwa równe lub prawie równe ramiona nosi on wówczas nazwę chromosomu metacentrycznego (równe ramiona) lub submetacentrycznego (prawie równe ramiona). Jeżeli centromer położony jest na końcu chromosomu lub blisko jego końca, wówczas nosi nazwę chromosomu akrocentrycznego lub subakrocentrycznego. W chromosomach akrocentrycznych, występuje jedno ramię lub dwa ramiona, przy czym jedno z nich jest wówczas bardzo krótkie. Jeżeli na końcu jednego z ramion znajduje się przewężenie wtórne to tworzy ono krótki końcowy jego odcinek zwany satelitą. Końcem każdego ramienia jest telomer. Telomery zapobiegają zapętlowaniu się chromosomów.

         W komórce chromosomy występują także w mitochondriach. U człowieka mitochondria zawierają 10 pojedynczych kolistych dwuniciowych helis DNA. Ulegają one samoreplikacji. Kodują peptydy (elementy enzymów), rRNA i tRNA. Podlegają dziedziczeniu matczynemu, bowiem zawarte są w mitochondriach, poza jądrem, a wiadomo, że zarodek rozwija się z zapłodnionej komórki jajowej. Zatem potomstwo uzyskuje zawsze te pozajądrowe cząsteczki DNA od matki. Mężczyzna przekazuje potomstwu jedynie genom zawarty w jądrze plemnika.

         Telomery to naturalne zakończenia każdego z dwóch ramion chromosomów u Eucaryota. Wykazują złożona budowę, zawierają nieregularnie pofałdowane włókna chromatynowe, których końce zawijają się do wnętrza; ulegają ciągłym przemianom, zwłaszcza podczas podziałów komórki. Telomery posiadają stałą sekwencję –TTAGGG. Przy każdorazowym podziale komórki telomery ulegają skróceniu (łańcuchy DNA potomne są krótsze niż łańcuchy macierzyste, bowiem polimeraza nie jest w stanie zreplikować fragmentowanej /fragmenty Okazaki/ nici w całości, do końca, staje się ona krótsza za każdym razem o około 50 zasad). U młodych rozwijających się osobników telomery są wydłużane dzięki aktywności enzymu telomerazy (gen telomerazy mieści się na 5 chromosomie). W późniejszym wieku enzym ten nie jest wytwarzany. Telomeraza działa jedynie w narządach płciowych i w szpiku, dzięki czemu możliwy jest ciągły podział i produkcja komórek płciowych oraz komórek krwi. Telomeraza aktywna też jest w nowotworach.

Komórki somatyczne (ciała) natomiast przestają się dzielić i tym samym regenerować (odnawiać), gdy długość telomerów przekroczy pewną krytyczną granicę. Rozpoczyna się wówczas starzenie i obumieranie tkanek oraz całego organizmu. Telomery są więc molekularnymi zegarami, obliczającymi długość życia komórek. Z jednej strony, utrata aktywności telomerazy chroni nas przed nowotworami, z drugiej jednak doprowadza do starzenia i śmierci. Nowotwory wymagają aktywności telomerazy do rozwoju i przetrwania, bowiem są to komórki mające zdolność nieograniczonych podziałów.

Organizmy bezjądrowe Procaryotanie mają liniowych chromosomów z końcami -telomerami, lecz koliste cząsteczki DNA. Dzięki temu są nieśmiertelne w sensie nieograniczonej zdolności do szybkich podziałów (rozmnażania się). Jednakże wykazują one znacznie mniejszą bioróżnorodność i niewiele kierunków rozwoju ewolucyjnego.

U organizmów eukariotycznych dzięki obecności wolnych końców chromosomów –telomerów możliwa jest wymiana fragmentów między genomem matczynym i genomem ojcowskim, co warunkuje rekombinację genetyczną i różnorodność osobników.

Ogólna struktura kwasów nukleinowych

        Kwasy nukleinowe stanowią około 1% składu organizmu. Są to typowe polimery (makromolekuły). Prostszymi składnikami, czyli monomerami są nukleotydy. Nukleotydy są to więc monomery, które tworzą długie liniowe struktury zwane polinukleotydami. Z punktu widzenia chemicznego nukleotydy należą do estrów nukleozydów z kwasem fosforowym. Większość nukleotydów posiada kwas fosforowy w pozycji 5` cukru – pentozy. Wyróżnia się rybonukleotydy, zawierające pentozę – rybozę oraz dezoksyrybonukleotydy zawierające pentozę 2-dezoksyrybozę (deoksyrybozę).

Nukleozydy są związkami zasady purynowej lub pirymidynowej i cukru pentozy. Oba składniki są połączone wiązaniem beta-N-glikozydowym. Ryboza lub dezoksyryboza przyłączone są do azotu N9 puryny lub N3 pirymidyny w postaci laktamowej.

Z (zasada) + 5C (pięciowęglowy cukier) + P (reszta kwasu fosforowego) → nukleotyd

        Do zasad purynowych należą: adenina, czyli 6-aminopuryna, guanina = 2-amino-6-hydroksypuryna i hipoksantyna = 6-hydroksypuryna.

        Do zasad pirymidynowych zalicza się: cytozynę = 2-hydroksy-6-aminopirymidyna, uracyl = 2,6-dwuhydroksypirymidyna i tyminę = 5-metylouracyl. Spotyka się też 5-metylocytozynę, a w kiełkach pszenicy 5-hydroksymetylocytozynę.

Uracyl występuje w RNA (Ribonucleic Acid), a tymina w DNA (Deoxyribonucleic Acid).

Zasady połączone z rybozą noszą nazwy:

- cytydyna;

- adenozyna;

- guanozyna;

- urydyna.

Zasady połączone z dezoksyrybozą określa się odpowiednio nazwami:

- dezoksycytydyna;

- dezoksyadenozyna;

- dezoksyguanozyna;

- dezoksyurydyna.

W tRNA wirusów stwierdzono obecność zasad nietypowych, np. N-metylowych pochodnych 6-N-metylo- i 6-N-dwumetyloadeniny, a także nukleozydów, np. pseudourydyny. Hipoksantyna w połączeniu z pentozą tworzy nukleozyd – inozynę. Nukleozyd wywodzący się z tego związku to inozynomonofosforan IMP.

         Puryny C5H4N4 to heterocykliczne zasady zbudowane ze skondensowanych ze sobą pierścieni: pirymidynowego i imidazolowego. Warto dodać, że do związków purynowych należy nie tylko adenina i guanina, ale niektóre znane alkaloidy, np. teobromina i koffeina. Czyste puryny nie występują w świecie roślin i zwierząt, lecz jedynie ich pochodne, np. kwas moczowy, ksantyna.

            Pirymidyna C4H4N2, czyli 1,3-dwuazyna to sześcioczłonowy związek heterocykliczny z dwoma atomami azotu.

         Poszczególne nukleotydy są powiązane ze sobą wiązaniami dwuestrowymi – poprzez kwas fosforowy, który jedną grupą –OH łączy się z C 3` cukru jednego nukleotydu, a drugą grupą –OH z C5` cukru następnego nukleotydu.

         Łańcuch główny kwasu nukleinowego stanowią ułożone na przemian cząsteczki pentozy i kwasu fosforowego, podczas gdy zasady pozostają na zewnątrz łańcucha. Dzięki tego rodzaju wiązaniom łańcuch polinukleotydowy wykazuje polarność.

         Wg teorii Erwina Chargaffa (1949 r.) wolne nukleotydy występują w określonych stosunkach molarnych. Tymina i adenina są w jednakowych ilościach, podobnie jak guanina i cytozyna. Zatem T=A i G=C. Innymi słowy, stosunek pirymidynowych zasad do purynowych jest równy. Gdy tę teorię sprawdzono, wykazano, ze stosunki te jednak różnią się. Zawartość poszczególnych zasad DNA różnych organizmów jest różna, natomiast w różnych tkankach jednego organizmu wykazuje stałość. Wyróżnia się DNA typu A-T i typu G-C (zależnie od przewagi).

Struktura DNA

            W oparciu o dane Erwina Chargaffa, Maurice`a Wilkinsa i Linus`a Paulinga, James Watson i Francis Crick w 1953 r. opracowali model DNA w postaci dwóch łańcuchów polinukleotydowych skręconych w podwójną spiralę = helisę w stosunku do wspólnej osi centralnej. Jak już wspomniano łańcuchy główne utworzone są z pentozy i kwasu fosforowego. Natomiast zasady są zwrócone do wnętrza spirali, niczym do cylindra utworzonego przez dwa łańcuchy. Zasady te są ułożone prostopadle do osi cylindra, jedna nad drugą i oddziałują wzajemnie na siebie za pomocą utworzonych mostków wodorowych i sił międzycząsteczkowych van der Waalsa, które stabilizują spiralna strukturę. Dwa zespolone łańcuchy mają przeciwną polarność, końcowi 5` jednego łańcucha odpowiada koniec 3` drugiego łańcucha i odwrotnie. Oba łańcuchy wzajemnie się dopełniają pod względem składu i kolejności występowania zasad. Kolejność zasad w jednym łańcuchu DNA ściśle określa ich kolejność w drugim, bowiem na przeciw adeniny musi występować tymina, a na przeciw guaniny cytozyna. Adenina jest związana z tyminą dwoma mostkami wodorowymi, a guanina z cytozyną – trzema mostkami wodorowymi. Jeżeli w DNA przeważa ilość par G-C to jest on bardziej trwały.

         Komplementarność dwóch łańcuchów DNA stwarza możliwość replikowania identycznych kopii cząsteczek DNA. Każdy pojedynczy łańcuch DNA zawiera pełną informację o syntezie drugiego, komplementarnego w stosunku do niego łańcucha (jest to zasada przynależności, komplementarności zasad).

 

Replikacja DNA

         W 1956 r. Kornberg otrzymał z Escherichia coli enzym – nukleotydylotransferazę DNA. Enzym ten wkrótce został nazwany polimerazą Kornberga lub polimerazą DNA I. Enzym ten łączy w łańcuch nukleotydy z dużą szybkością: 1000 reszt nukleotydowych na minutę. Do jego aktywności potrzebne są jony magnezu, DNA-matryca, dATP, dGTP, dTTP i d CTP. W stosunku do matrycy enzym ten nie wykazuje specyficzności. Przy udziale polimerazy DNA I zostają odpowiednio utworzone dAMP, dGMP, dCMP i dTMP, wydzielony zostaje pirofosforan a w wyniku reakcji powstaje polinukleotyd. Aby zaszła polimeryzacja nowego DNA, matryca DNA musi mieć na swoich łańcuchach tzw. wolne końce 3`OH. Tylko do tych końców polimeraza DNA może przyłączać nowe 5`-dezoksyrybonukleotydy. Nukleotydylotransferaza przedłuża łańcuch polinukleotydowy w kierunku 5`→ 3`, umieszcza dezoksyrybonukleotydy resztą fosforanową na wolnej grupie wodorotlenowej –OH ostatniego z nich, tworząc wiązanie estrowe, wydziela się przy tym Pi (pirofosforan).

         Przed kopiowaniem, podwójna spirala DNA ulega rozkręceniu, a trifosforany poszczególnych dezoksyrybonukleotuydów (wymienionych wcześniej) dobudowywane są zgodnie z regułą dopełnialności (komplementarności, przynależności) zasad --- drugi łańcuch do każdego z pojedynczych łańcuchów pierwotnych. Czyli obok starego łańcucha powstaje nowy. Jest to semikonserwatywny (półzachowawczy) mechanizm replikacji DNA. Pamiętamy jednak, że polimeraza działa od końca 5` do końca 3`. Co zatem z drugą nicią? Przecież łańcuchy podwójnej helisy DNA maja przeciwna polarność.

            Wieloletnie badania Okazaki dowiodły, ze synteza drugiego łańcucha DNA u Eucaryota przebiega w sposób nieciągły. W procesie tym obok poznanej już polimerazy DNA uczestniczy helikaza DNA, która czerpie energię z hydrolizy ATP i przemieszcza łańcuch DNA względem kompleksu replikacyjnego. Helikaza rozrywa wiązania wodorowe istniejące między łańcuchami. Topoizomeraza rozkręca spiralę DNA. Białko destabilizujące utrzymuje oba łańcuchy w pozycji rozdzielonej. Jeden łańcuch DNA jest odtwarzany normalnie, w sposób ciągły, zgodnie z kierunkiem rozwidlenia. Drugi łańcuch odtwarzany jest odwrotnie, synteza przebiega odwrotnie do rozwidlenia, przy czym uczestniczy tu polimeraza RNA (primaza), która syntetyzuje krótkie (10-nukleotydowe) odcinki RNA – primery (startery) dla syntezy DNA. Polimeraza DNA III dobudowuje łańcuch DNA do primerów. W ten sposób powstają komplementarne do matrycy fragmenty łańcucha DNA, zwane fragmentami Okazaki. Primer zostaje następnie usunięty, a fragmenty są łączone w jednolity łańcuch DNA za pomocą ligazy DNA.

            Warto dodać, że replikacja DNA programowana jest zgodna z cyklem życiowym komórki i odbywa się ona w fazie S (syntezy), która przechodzi następnie w fazę G2, poprzedzającą mitozę (fazę M). W fazie G2 zachodzi reperacja uszkodzonego DNA. Replikacja DNA nieprogramowana jest natomiast niezależna od cyklu komórkowego i jej głównym celem jest naprawa uszkodzonego DNA. Uszkodzony fragment DNA jest wówczas wycinany przez endo- i egzonukleazy. Wg matrycy (drugiego łańcucha DNA), zgodnie z mechanizmem komplementarności zostaje odtworzony wycięty odcinek DNA przy udziale polimerazy. Powstały odcinek DNA jest następnie wbudowany w miejsce wycięcia przy pomocy ligazy DNA.

Struktura RNA. Rybosomy.

            Kwasy rybonukleinowe wykazują mniejszą masę cząsteczkową niż DNA. Zlokalizowane są w jądrze i w cytoplazmie. Zamiast tyminy zawierają uracyl. RNA występuje z reguły w formie jednoniciowej struktury, jednakże u niektórych wirusów jest on dwułańcuchowy.

RNA jest zróżnicowany pod względem funkcji i struktury:

- rRNArybosomalny RNA znajduje się w rybosomach w połączeniu z białkami. Stanowi około 80% komórkowego RNA.

Rybosomy to organelle kuliste, wielkości 15-30 nm, mające charakter wieloenzymatycznego kompleksu. Prekursory rybosomów powstają w jąderkach jądra komórkowego. Rybosomy aktywnie uczestniczą w syntezie białek (translacja). W komórce występują pojedynczo lub tworzą zespoły. Rybosomy osadzone na matrycowym RNA noszą nazwę polisomów (=polirybosomów) i są przygotowane do translacji (tworzą aparat translacyjny). Ponadto rybosomy często dołączone są do mitochondrii, plastydów, jądra i retikulum endoplazmatycznego. Biorąc pod uwagę stałą sedymentację, rybosomy dzielimy na dwie klasy:

W komórkach Eucaryota występują rybosomy o stałej sedymentacji 80 S (Svedbergów), czyli wg nowszych jednostek 8 ps (pikosekunda).

W komórkach Procaryota występują rybosomy o stałej sedymentacji 70 S (7 ps).

Rybosom składa się z dwóch podjednostek rybosomalnych: mniejszej i większej. W rybosomach 70-Svedbergowych podjednostka mała ma stałą sedymentacji 30 S (3 ps) a duża 50 S (5 ps). W rybosomach 80-Svedbergowych mała podjednostka wykazuje stałą sedymentację 40 S (4 ps), a duża 60 S (6 ps). Do tworzenia kompleksu dwóch podjednostek konieczne jest odpowiednie stężenie magnezu, wapnia, kobaltu i manganu w cytozolu. Np. wysokie stężenie Mg2+ prowadzi do powstania dimerów rybosomowych czyli parowania się rybosomów (łączą się w pary).

- rRNA zawiera więcej guaniny i cytozyny niż matrycowy kwas rybonukleinowy.

- tRNA – transportujący RNA (transfer RNA, soluble RNA = sRNA) występuje w cytoplazmie 

podstawowej, zbudowany jest z około 75 nukleotydów tworzących pojedynczą nić, która układa się w liść koniczyny. Zatem łańcuch RNA formując liść koniczyny tworzy odcinki podwójne, powiązane zgodnie z regułą komplementarności zasad. W budowie tRNA widnieją charakterystyczne listki (banieczki) utworzone z 7 nukleotydów, a wśród nich również nukleotydów nietypowych i niesparowanych. Pierwsza pętla (banieczka, listek) zawiera dihydrourydynę DHU. Środkowa pętla zawiera antykodon, czyli 3 nukleotydy komplementarne do 3 nukleotydów kodonu w matrycowym RNA (mRNA). Trzecia pętla zawiera rybotyminę i pseudourydynę psi. Pomiędzy listkiem antykodonu a pseudourydyną jest guzek. W pobliżu końca 3` istnieje stała sekwencja pCpCpA. Do nukleotydu A przy grupie -OH3` dołączony zostaje estrowo odpowiedni aminokwas. Środkowa pętla jest miejscem wiązania kodonu mRNA. Istnieje 22 rodzaje tRNA, każdy dla określonego aminokwasu. Czynność tRNA polega na rozpoznaniu w kodzie genetycznym określonego tripletu, a następnie rozpoznaniu i związaniu odpowiedniego aminokwasu, przynależnego do tego trypletu.

- mRNA – matrycowy RNA (messenger RNA) został odkryty w 1961 r. przez Brennera, Jacoba i Meselsona w bakteriach infekowanych fagiem T4. Jest syntetyzowany w jądrze na matrycy DNA w procesie transkrypcji, jako hnRNA (heterogenny RNA, wielkocząsteczkowy, jądrowy). hnRNA jest 1-niciowy i owinięty na histony. W tej formie jest on przetransportowany do cytoplazmy, gdzie ulega obróbce. Dojrzały mRNA zawiera kod genetyczny, który jest odczytywany przez tRNA. W procesie translacji odczytywane sekwencje trójek nukleotydowych determinują (określają) sekwencję aminokwasów w powstających polipeptydach. Stanowi około 3% ogólnego RNA.

- hnRNA – heterogenny RNA – wielkocząsteczkowy, jądrowy RNA, prekursor mRNA, powstały podczas transkrypcji, zbudowany z 5000-50000 nukleotydów. Po wycięciu pętli ulega skróceniu do mRNA. Posiada liczne odcinki niekodujące, powtarzające się – introny. Po ich usunięciu pozostają nie powtarzające się i kodujące egzony, które łącznie (po scaleniu) dają informację dla syntetyzowanego białka. Sekwencja na końcu 5` w mRNA zawiera nietypowy nukleotyd 7-metylo-guanozyno-5`-trifosforan. Jest to tzw. czapeczka, potrzebna do rozpoczęcia translacji. Na drugim końcu znajduje się sekwencja poliA (poliadenylowa), która pełni rolę zegara biologicznego, obliczającego ilość wytworzonego białka.

Geny

W chromosomach znajdują się geny – materialne cząstki dziedziczenia. Gen to odcinek DNA kodujący jeden polipeptyd lub jedną strukturalną cząsteczkę RNA. Średnia długość genu człowieka wynosi 2000 par zasad, a odległość między zasadami wynosi 0,34 nm; zatem średnia długość genu wynosi 7 . 102.

W genomie człowieka można wyróżnić kilka rodzajów genów:

Geny strukturalne – odcinki DNA, kodujące sekwencję i liczbę aminokwasów w polipeptydzie wg zasady: 1 gen = 1 łańcuch polipeptydowy. W genach strukturalnych występują na przemian sekwencje nukleotydowe kodujące polipeptyd – egzony, oraz sekwencje nukleotydów nie kodujące polipeptydu – introny. Transkrypcji ulegają introny i egzony, czego wynikiem jest powstanie heterogennego RNA (hnRNA). Introny ulegają wycięciu z hnRNA, a egzony są łączone przy udziale ligazy w matrycowy kwas rybonukleinowy mRNA. Geny struktury występują najczęściej w pojedynczych kopiach lub w ich niewielkiej liczbie.

Geny regulatorowe – odcinki DNA, które nie podlegają transkrypcji, ale pełnią w stosunku do niej rolę regulacyjną. Te specyficzne odcinki DNA są rozpoznawane przez odpowiednie białka regulacyjne.

C-onkogeny, czyli protoonkogeny – są odmianą genów struktury występujące pojedynczo lub w niewielkiej liczbie kopii. Są one homologiczne z V-onkogenami retrowirusów-RNA. Homologia C- i V-onkogenów polega na występowaniu w nich podobnych sekwencji nukleotydowych. Jednakże C-onkogeny złożone są z intronów i egzonów, natomiast V-onkogeny posiadają ciągłą sekwencję nukleotydową kodującą polipeptydy. C-onkogeny kodują białka o masie cząsteczkowej 20 000 – 200 000, o charakterze kinaz. Białka te zlokalizowane są w błonach komórkowych. C-onkogeny regulują proliferację i różnicowanie komórek; niestety także odpowiadają za nowotworzenie (onkogenezę). Nowotworowa aktywacja C-onkogenów zachodzi najczęściej w wyniku mutacji punktowej lub w skutek skrócenia C-onkogenu. Przykładem może być mutacja zastępująca parę zasad G-C na parę T-A. W efekcie zmieniony zostaje skład aminokwasowy białka, bowiem glicyna zastąpiona jest waliną. To powoduje nowotwór pęcherza moczowego.

Geny rRNA i tRNA – odcinki rDNA wg których odbywa się transkrypcja rRNA i tRNA. Tutaj nie zachodzi synteza mRNA, a następnie białka (translacja), lecz powstanie odpowiedniego rRNA i tRNA. Te geny występują w genomie w wielu kopiach.

Kod genetyczny

Makrocząsteczka DNA składa się z 4 różnych nukleotydów: adenina A, guanina G, tymina T i cytozyna C. W matrycowym RNA powstałym w transkrypcji, tyminę T zastępuje uracyl U. Gen to określona sekwencja (kolejność) nukleotydów w DNA. Zatem kod genetyczny zawarty w DNA i RNA jest 4-znakowy (4-literowy).

Badania Nirenberga, Matthaei, Ohoa i Khorana wykazały, że jednemu aminokwasowi w białku odpowiada trójka nukleotydów, czyli triplet. W cząsteczkach DNA i RNA możliwe są 64 triplety, zwane kodonami. Istnieje 20 różnych aminokwasów podstawowych. Kod dla białek jest więc 20-literowy. Zatem w stosunku do liczby aminokwasów istnieje nadmiar tripletów. Jednakże danemu aminokwasowi w wielu przypadkach odpowiada kilka różnych tripletów. Czyli istnieją kodony synonimowe, które najczęściej dwa pierwsze nukleotydy mają jednakowe, trzeci nukleotyd (pozycja) ulega zmianie. Zdaniem Cricka najczęściej zmienia się nukleotyd 3, rzadziej 1, a najbardziej stabilny jest 2. Spośród 64 kodonów, 3 (trzy) kodony nie wyznaczają żadnego aminokwasu i powodują przerwanie syntezy polipeptydu podczas translacji (faza terminacji). Te głuche, przerywnikowe lub inaczej nonsensowne triplety to: UAA, UAG i UGA.

Kod genetyczny podlega regułom Cricka:

Każdy aminokwas określony jest specyficzną sekwencją 3 zasad, czyli kodonem; kodony mają jednakową wielkość.

Kod jest bezprzecinkowy, czyli nie wykazuje żadnej interpunkcji za pomocą której zagwarantowane byłoby przekazywanie informacji; innymi słowy nie istnieją specjalne znaki, które oddzielają jedną trójkę nukleotydową (kodon) od drugiej.

Kod jest zdegenerowany: tzn. wbudowywanie tych samych aminokwasów do rosnącego łańcucha polipeptydowego determinowane (określane) jest różnymi kodonami – kodonami synonimowymi. Jest to system ochronny przed drobnymi mutacjami.

Kod jest specyficzny – określony kodon bierze udział tylko we włączaniu jednego aminokwasu.

Kod jest kolinearny – sekwencja kodonów w genie jest kolinearna z sekwencją aminokwasów w tworzonym łańcuchu polipeptydowym lub inaczej mówiąc: liniowo odpowiednia z sekwencją aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

Kierunek odczytywania kodu: odczyt DNA i mRNA następuje tylko w jednym kierunku.

Uniwersalność: kod genetyczny u wszystkich organizmów jest jednakowy.

Aminokwasy: metionina i tryptofan są determinowane przez pojedyncze kodony: AUG – metionina, UGG – tryptofan; brak dla nich kodonów synonimowych.

 

Hipoteza tolerancyjna Cricka

            W 1966 r. Crick wysuną hipotezę tolerancji, która zakłada, że jeden antykodon w tRNA może rozpoznawać kilka różnych kodonów synonimowych w mRNA, różniących się w 3 pozycji. Ponadto w antykodonach mogą występować nietypowe zasady, jak np. inozyna I, czy pseudouracyl @ , wtedy komplementarność wygląda następująco:

antykodon

kodon

U; @

A lub G

I

U, A lub C

Dla aminokwasu z 4 różnymi kodonami synonimowymi istnieje w organizmach co najmniej dwa różne tRNA z dwoma różnymi antykodonami. Dla aminokwasu leucyny istnieje aż 6 różnych tRNA. U ssaków wykazano 80 różnych tRNA.

Pierwsza i druga zasada (nukleotyd) kodonu jest ściśle komplementarna do zasad (nukleotydów) antykodonu (zgodnie z wcześniej podaną zasadą przynależności). Przynależność trzeciej zasady nie jest całkowicie określone. Dzięki temu ta sama cząsteczka tRNA może odczytywać więcej niż jeden kodon wyznaczający oczywiście ten sam aminokwas.

Przepływ informacji genetycznej w komórce

            Informacja genetyczna jest przekazywana z pokolenia na pokolenie. Ponadto w komórce występuje mechanizm umożliwiający wykorzystanie informacji genetycznej do regulacji wszystkich procesów życiowych. Tym mechanizmem jest replikacja, mitoza, mejoza, transkrypcja i translacja.

 

Transkrypcja

 

         Transkrypcjato przenoszenie, niejako przepisywanie sekwencji dezoksyrybonukleotydów DNA na rybonukleotydy mRNA, czyli sekwencję rybonukleotydową matrycowego kwasu rybonukleinowego. Dzieje się to wg reguły komplementarności zasad z udziałem polimerazy RNA. DNA jest pierwotnym (źródłowym) nosicielem informacji o białku, a mRNA – wtórnym nosicielem informacji o białku. Łańcuch mRNA odwzorcowuje się na DNA.

Polimeraza RNA jest DNA zależna. Została odkryta przez Weissa w 1959 r, dlatego w niektórych publikacjach (i laboratoriach) określana jest mianem polimerazy Weissa. Katalizuje ona wbudowywanie w łańcuch trifosforanów rybonukleozydów (zaktywowanych rybonukleotydów). Uwalniany jest przy tym PP czyli pirofosforan Pi.

Polimeraza RNA (nukleotydylotransferaza nukleozydotrifosforanów) zbudowana jest z 5 podjednostek: 2 alfa, beta, beta prim i sigma. Wyróżnia się 3 polimerazy RNA:

Polimeraza I – znajduje się w jąderku, uczestniczy w tworzeniu rybosomalnego kwasu rybonukleinowego rRNA, nie jest wrażliwa na alfa-amanitynę.

Polimeraza II – transkrybuje geny struktury, jest wrażliwa na amanitynę. Występuje w chromatynie jądra i w cytoplazmie.

Polimeraza III – występuje w chromatynie jądra i w cytoplazmie, uczestniczy w tworzeniu tRNA i rRNA.

Polimeraza dołącza się do promotora przy węglu 3 na łańcuchu DNA. Podjednostka sigma polimerazy inicjuje transkrypcję rozpoznając promotora, czyli sekwencję startową transkrybowanego łańcucha DNA. Sekwencja terminalna, dająca sygnał polimerazie o zakończeniu transkrypcji nosi nazwę terminatora. Faza wydłużania mRNA, czyli jego tworzenia - na podstawie łańcucha DNA - nosi nazwę elongacji. W przypadku genów struktury, polimeraza II tworzy długą cząsteczkę heterogenicznego RNA (hnRNA). Łańcuch DNA jest transkrybowany łącznie z intronami. W miejscu zakończenia transkrypcji, polimeraza wprowadza do RNA 100-200 cząsteczek adeniny (poliadeniny), która jest potrzebna do dalszej obróbki hnRNA.

hnRNA jest otoczona przez białka (informofery). Sekwencje odpowiadające intronom są wycinane, a fragmenty – egzonyłączone w mRNA. Introny ulegają nawinięciu na cząsteczki snRNP czyli rybonukleoproteiny.

Matrycowy kwas rybonukleinowy (gotowy) jest transportowany z jądra do cytoplazmy.

Aktywacja aminokwasów

Aminokwasy mogą się łączyć ze sobą w peptydy po uprzedniej aktywacji, która polega na wzbogaceniu w energię wolnego aminokwasu. Aktywacja odbywa się przy udziale ATP i syntetaz amino-acylo-tRNA.

Każdy aminokwas ma odpowiednią syntetazę. Enzymy te posiadają dwa aktywne centra: do jednego z nich przyłącza się amino-acylo-AMP, a do drugiego – specyficzny dla każdego aminokwasu tRNA.

Amino-acylo-tRNA to połączenie tRNA z odpowiednim aminokwasem wiązaniem estrowym między C3 (węglem trzecim) rybozy a grupą karboksylową –COOH aminokwasu.

Transport aminokwasów do aparatu translacyjnego odbywa się przy pomocy tRNA i białek cytoszkieletu.

           

Translacja

Translacjato proces w biosyntezie białka, polegający na przetłumaczeniu (przełożeniu) sekwencji nukleotydowej matrycowego kwasu rybonukleinowego mRNA (kodu) na sekwencję aminokwasową w tworzonym białku. Proces zachodzi w cytoplazmie i wymaga obecności rybosomów, mRNA, energii (związki wysokoenergetyczne, np. ATP, GTP), aktywnych aminokwasów połączonych z tRNA oraz faktorów. Obejmuje 3 etapy: inicjację, elongację i terminację.

Inicjacja – rybosomy ulegają zdysocjowaniu na dwie podjednostki rybosomalne: u Eucaryota na małą 40 S i dużą 60 S, u Procaryota30 S i 50 S. Przy udziale jonów magnezu Mg2+ i IF 1 (faktor inicjujący 1), mRNA zostaje przyłączony do małej podjednostki rybosomalnej. Zgodnie z tezą Bretschera punktem startowym translacji jest przyłączenie zaktywowanej metioniny (AUG) – metionylo-tRNA (Met.-tRNA). Związany zostaje także GTP (guanozynotrifosforan). Energia pochodzi z ATP. Wg Bretschera mała podjednostka rybosomalna zanim zwiąże mRNA łączy się z metionylo-tRNA. Dopiero potem, przy udziale energii z ATP i IF 2-5 zostaje przyłączony mRNA. W związku z tym metionina jest niesiona na dwóch różnych tRNA przy udziale syntetazy: metionylo-tRNAFront i metionylo-tRNAMiddle. Met.-tRNA-Middle wbudowuje metioninę wewnątrz łańcucha polipeptydowego, czyli gdy aparat translacyjny jest kompletny i aminokwas ten rzeczywiście wchodzi w skład tworzonego białka. Natomiast Met.-tRNA-Front będzie zgodnie z tezą Bretschera – punktem startowym biosyntezy białka, nawet tego białka, które nie zawiera w swym składzie metioniny. Do kompleksu inicjującego przyłączeniu ulega duża podjednostka rybosomalna, co tworzy pełny aparat translacyjny (energia pochodzi z wcześniej przyłączonego GTP!). W aparacie tym można wyróżnić centrum peptydylowe P i centrum akceptorowe A. Przyłączenie dużej podjednostki wymaga obecności IF 2 oraz jonów magnezu. Pierwszy aminokwas (metionina) znajdzie się wówczas w centrum peptydylowym P, jest to jednak wyjątek, gdyż nowo przyłączone aminokwasy lokują się najpierw w centrum akceptorowym, czyli w miejscu amino-acylowym A. Gdy do centrum akceptorowego zostanie przyjęty nowy (drugi) amino-acylo-tRNA, wówczas następuje powstanie dipeptydu, wytworzenie wiązania peptydowego między grupą –COOH a grupą aminową -NH2 następnego aminokwasu.

Elongacja – kolejno przyłączone aminokwasy są determinowane (określone) przez kodon w mRNA, który zgodnie z regułą komplementarności rozpoznaje antykodon tRNA, niosący aminokwas aktywny. Energia pobierana do tego procesu pochodzi z GTP: GTP → GDP (guanozynodifosforan) + Pi (pirofosforan). P Uczestniczy w tym elongation factor EF 1. Transpeptydaza przenosi acyl pierwszego aminokwasu na grupę NH2 aminokwasu umiejscowionego w centrum akceptorowym, z udziałem GTP i EF 2. Odczepieniu ulega pierwszy tRNA. Tak powstały peptyd wraz z przytrzymującym go tRNA przesuwa się do centrum peptydylowego, co jest spowodowane skurczem rybosomu i przesunięciem się matrycy - mRNA (rybosom nie przeskakuje po mRNA!). Wolny akceptor aparatu translacyjnego znów wiąże amino-acylo-tRNA odpowiedni do tripletu mRNA. Zatem elongacja to kolejne przyłączanie aminokwasów do tworzonego polipeptydu.

Terminacja – w centrum A pojawia się trójka nonsensowna, np. UAA, polipeptyd w centrum P zostaje przesunięty nie uzyskawszy akceptora – aminokwasu w centrum A – ulega więc odczepieniu od aparatu translacyjnego. Przy udziale TF (termination factor) i energii z GTP następuje rozpad aparatu i uwolnienie polipeptydu. Białko wytworzone w translacji posiada strukturę I-rzędową.

Obróbka potranslacyjna białka

Powstałe białko w translacji ulega rozmaitym modyfikacjom. Uzyskuje w ten sposób strukturę II, III i IV-rzędową. Niektóre aminokwasy są wycinane, łańcuch polipeptydowy ulega w różnym stopniu fałdowaniu lub spiralizacji, dodawane są do niego składniki niebiałkowe (np. metale, cukrowce, tłuszczowce) oraz łańcuchy boczne. Wiadomo przecież, że wiele białek (np. hemoglobina, kalmodulina, insulina) zbudowana jest z kilku podjednostek (łańcuchów polipeptydowych).

Hipoteza Jacoba i Monoda. Koncepcja Brittena i Davidsona

Wg hipotezy Jacoba i Monoda, za jakość i ilość produkowanych przez komórkę białek, w tym enzymów, odpowiadają dwa rodzaje genów. O jakości produkowanego białka decydują geny strukturalne, a o jego ilości – geny regulatorowe.

Produktem genu strukturalnego jest mRNA, powstały poprzez transkrypcję. Matrycowy kwas rybonukleinowy mRNA po opuszczeniu jądra zostaje odczytany w translacji i powstają odpowiednie białka. Po utworzeniu polipeptydu mRNA ulega zniszczeniu, unieczynnieniu, chociaż u Eucaryota nie zawsze mRNA jest niszczone. W retikulocytach mRNA jest długo w użytku (dla syntezy hemoglobiny).

Zatem gen strukturalny to odcinek DNA odpowiedzialny za syntezę mRNA, co w konsekwencji oznacza syntezę jednego kompletnego łańcucha polipeptydowego. W przypadku hemoglobiny, konieczne jest istnienie dwóch genów strukturalnych, bowiem białko to zbudowane jest z dwóch łańcuchów polipeptydowych: alfa i beta.

1 gen strukturalny → 1 łańcuch polipeptydowy

O rozpoczęciu syntezy mRNA przez gen strukturalny decyduje specyficzny odcinek DNA, zwany genem operatorem. Operator jest jedynie starterem i nie ulega transkrypcji. Jeden operator może być starterem dla kilku genów strukturalnych w następujących przypadkach:

Kompletna cząsteczka białka zbudowana jest z kilku podjednostek elementarnych. Aby złożyć całe białko - konieczne są produkty kilku genów. Geny kodujące polipeptydy jednostkowe dla jednego białka mogą być pod kontrolą wspólnego operatora.

Proces biochemiczny jest katalizowany ściśle powiązanymi (czynnościowo) i zależnymi od siebie enzymami. Wspólny operator zawiaduje genami kilkoma genami struktury, kodującymi powiązane funkcjonalnie (metabolicznie) enzymy, np. gen strukturalny beta-galaktozydazy (hydrolizuje laktozę do galaktozy i glukozy) znajduje się obok genu strukturalnego permeazy. Permeaza jest niezbędna do wchłaniania laktozy przez komórkę.

Zespół w składzie: gen operator + gen (-y) strukturalny (-e) nazywa się operonem.

Operon odpowiedzialny jest za jakość (skład aminokwasowy) syntetyzowanego białka. Dla każdego operonu istnieje w chromosomie odpowiedni gen regulator, kontrolujący funkcjonowanie operonu.

Gen regulator produkuje represor – czynnik odwracalnie wiążący się z operatorem. Gdy represor zwiąże się z genem operatorem następuje zahamowanie transkrypcji w operonie. Działanie represora zależy od obecności związków chemicznych – efektorów. Efektory to związki chemiczne niskocząsteczkowe o właściwościach czynników allosterycznych.

Badania Gilberta i Müllera-Hilla dowiodły, ze represor ma strukturę białkową. Wyizolowali go badając operon laktozowy u Escherichia coli. Przy braku efektora - induktora w środowisku, represor jest związany z operatorem. Po dodaniu induktora do środowiska, represor wiązał się z nim, odblokowując operatora. W przypadku operonu laktozowego efektorem-induktorem jest laktoza. Geny strukturalne ulegają wówczas uczynnieniu, czego efektem są enzymy. Laktoza wzbudza więc syntezę enzymów. Organizm nie traci energię na syntezę enzymów w razie braku dla nich substratów – laktozy. Galaktozydaza (dawniej laktaza) jest więc enzymem adaptacyjnym (aktywnym i obecnym w razie istnienia substratów w środowisku).

Hipoteza Jacoba i Monoda odnosi się do regulacji aktywności komórek prokaryotycznych (bakterie). Organizmy wyższe (eucaryotyczne) produkują znacznie więcej różnorodnych enzymów; zatem regulacja aktywności komórek jest bardziej złożona. U Eucaryota brak represora.

Regulacja genetyczna metabolizmu komórek jądrowych odbywa się prawdopodobnie zgodnie z hipotezą Brittena i Davidsona (1967 r.).

Odpowiednikiem genu struktury jestproducer gen. W producer gen zawarta jest informacja genetyczna i odbywa się transkrypcja RNA wszystkich rodzajów.

Obok producer gen znajduje się receptor gen, który powoduje rozpoczęcie transkrypcji przez producer gen. Receptor gen jest odpowiednikiem operatora w hipotezie Jacoba-Monoda.

Część regulatorowa składa się z dwóch genów: sensor gen i integrator gen.

Sensor gen to odcinek DNA wykazujący swoista wrażliwość na induktory: substancje hormonalne. Aktywacja sensor genu uczynnia integrator gen, który spełnia funkcję wykonawczą wobec producer gen. W hipotezie Brittena-Davidsona łącznikiem między producer genami a częścią regulatorową jest activator RNA (u bakterii jest to represor białkowy). Activator RNA produkowany jest przez integrator gen i komplementarnie wiążę się z DNA receptor genu. Gdy activator RNA zwiążę się z receptor genem wówczas następuje wzbudzenie transkrypcji w producer genie. Dzięki obecności sensor genów, komórka jest wrażliwa na sygnały chemiczne ze środowiska (cAMP, hormony sterydowe). Aktywacja receptor genu jest niezbędna do rozpoczęcia transkrypcji producer genów i w następstwie syntezy enzymów.

Geny nakładające się

U wirusów można spotkać się z procesem nakładania się genów, czyli wykorzystania tej samej sekwencji nukleotydów do kodowania kilku łańcuchów polipeptydowych. Odczytywanie zapisu dla dwóch różnych polipeptydów rozpoczyna się w miejscach przesuniętych o 1 nukleotyd. Dzięki temu te same nukleotydy kodują różne aminokwasy w odmiennych jakościowo łańcuchach polipeptydowych. Pozwala to na maksymalne wykorzystanie małego genomu.

Allele – pojęcie

         Allele to geny zajmujące to samo miejsce 9locus) w chromosomach homologicznych, czyli geny zlokalizowane naprzeciwko siebie. Podczas mejozy są rozdzielone wskutek przejścia do komórek płciowych (genom – monoploidalny zespół chromosomów zawiera tylko 1 gen z pary allelicznej). Determinują przeciwstawne cechy organizmu.

Allele wielokrotne i grupy krwi
Konflikt serologiczny

         Allele wielokrotne to geny wywołujące różne cechy. Zajmują takie samo locus (miejsce) w chromosomach homologicznych ulegając często mutacji (powstają wówczas tzw. serie). Między allelami wielokrotnymi rzadko dochodzi do crossing-over. Wywołują one wiele różnych cech, np. barwę oczu u muszki owocowej. W czasie mejozy do gamet przechodzi po 1 allelu z każdej pary. Jeżeli w populacji zaszły różne mutacje tego samego genu powstałe w ten sposób allele nazywa się allelami wielokrotnymi. Z allelami wielokrotnymi związane jest zróżnicowanie serologiczne populacji ludzkiej.

Zróżnicowanie serologiczne ludzi uwarunkowane jest istnieniem różnych antygenów w komórkach krwi, zwłaszcza erytrocytów. Obecnie znamy 50 różnych antygenów wchodzących w skład 20 układów grupowych krwi. Największe znaczenie ma układ ABO i Rh, czyli A, B, AB i O uwarunkowane obecnością alleli wielokrotnych genu I (IA, IB, i), w których “i” jest recesywny w stosunku do pozostałych i nie produkuje antygenów. Gen IA oraz IB działają niezależnie od siebie i każdy z nich produkuje swoisty aglutynogen. W surowicy krwi są obecne aglutyniny = przeciwciała alfa i beta przeciwko aglutynogenom nie występującym w krwinkach danego osobnika. Wprowadzenie krwi osobnika z grupą A osobnikowi z grupą B lub O powoduje zlepianie się krwinek dawcy i w rezultacie śmierć biorcy.

Genotypy: IA IA; IA i – dają grupę A, w erytrocytach występuje aglutynogen A; w surowicy są aglutyniny beta. Ten człowiek nie może być dawcą dla grupy B lub O, ale może być biorcą krwi grupy A.

Genotypy: IB IB; IB – dają grupę B; w erytrocytach występuje aglutynogen B; w surowicy są aglutyniny alfa. Ten człowiek nie może być dawcą dla grup A oraz O. Może być biorcą grupy B.

Genotyp IA IB - daje grupę AB. Osobniki z grupą AB mają w erytrocytach aglutynogeny A i B; brak aglutynin w surowicy. Może być biorcą grup AB, A, B. Dawca dla grupy AB.

Genotyp: i i – daje grupę O; brak aglutynogenów w erytrocytach; w surowicy są aglutyniny alfa i beta. Może być biorcą grupy O i dawcą dla grupy O.

Układ Rh. Przeciwciała w stosunku do antygenów układu Rh nie są naturalnymi przeciwciałami, lecz odpornościowymi, powstającymi w czasie ciąży i w przebiegu przetoczenia krwi o przeciwstawnych cechach Rh. Układ Rh zawiera 6 antygenów C, D, E, c, d, e. Istnieją 3 pary genów allelicznych: Cc, Dd, Ee, które tworzą zespoły genowe złożone z 3 cech, możliwych jest więc 8 kombinacji o różnej częstości występowania w populacji: cde 40%, CDe 39,4%, cDE 15%, cDe 3,2%, Cde 2%, cdE 0,1%, CdE i CDE – mniej niż 0,1%. Każdy człowiek ma 2 z wymienionych 3-genowych kompleksów: jeden pochodzi od matki, drugi od ojca.

Wykluczenie ojcostwa w układzie Rh:

cechy układu Rh: C, c, D, d E, e (w obrębie układu CDe wyróżnia się jeszcze gen Cw) nie wystąpią u dziecka, jeżeli nie było ich u domniemanego ojca lub u matki.

Mężczyzna o cechach CC lub CwC nie może być ojcem dziecka grupy cc; pozwany cc nie może być ojcem dziecka CC (CwC); pozwany Cwc nie może być ojcem dziecka CC; pozwany CC nie może być ojcem dziecka Cwc; pozwany EE nie może być ojcem dziecka ee; pozwany ee nie może być ojcem dziecka EE.

Niezgodność antygenowa między matką i płodem to konflikt serologiczny. Antygen Rh występuje w erytrocytach. Odkryto go u małpy Macaca rhesus. Anty-Rh powstają po zmieszaniu krwi z czynnikiem i bez czynnika. Aglutynina anty-Rh+ powstaje także gdy matka jest Rh- a ojciec Rh+ (cecha dominująca) i dojdzie do ciąży. Gen recesywny czynnika przechodzi do zygoty; matka uczula się na ten czynnik i wytwarza przeciwciała anty-Rh+, które niszczą krwinki płodu.

Podsumowanie. Populacja człowieka jest zróżnicowana serologicznie na skutek występowania różnych antygenów w erytrocytach. Podstawowe znaczenie ma układ ABO i układ Rh. W erytrocytach występują dwa aglutynogeny (antygeny) A i B oraz skierowane przeciwko nim izoaglutyniny alfa i beta (w surowicy). Krew grupy A zawiera aglutynogen A (antygen A) i izoaglutyninę beta. Krew grupy B zawiera aglutynogen B (antygen B) i izoaglutyninę alfa. We krwi AB zawarte są dwa aglutynogeny A i B (antygen A i B), nie występują więc żadne izoaglutyniny. Krew O zawiera obie izoaglutyniny: alfa i beta, brak w niej natomiast aglutynogenów (antygenów). Zatem surowica nie zawiera izoaglutynin skierowanych przeciwko własnym krwinkom. Jeżeli osobnikowi mającemu grupę A podamy donaczyniowo krew grupy B to nastąpi zlepienie krwinek. Przetoczenie krwi O osobnikowi z krwią AB doprowadzi do aglutynacji krwinek biorcy, zgodnie z logiczną zasadą. Osobnikowi z grupą O można przetoczyć tylko krew grupy O. Dawne wyróżnianie uniwersalnych dawców (z grupą O) było błędne.

W układzie Rh osoby zawierające antygen D określane są jako Rh+. 85% ludzi rasy białej ma taki antygen we krwi. Jeżeli płód zawiera krew Rh+, a matka Rh- wówczas w jej krwi powstają aglutyniny anty-Rh przenikające do krwi płodu. Powoduje to uszkodzenie krwinek płodu oraz poważne patologie (hemoliza lub zlepienie krwinek, obrzęki, żółtaczka), a nawet śmierć.

Dziedziczenie cech układu grupowego ABO

Rodzice mają grupę:

Dzieci – możliwości odziedziczenia

ABXAB

A, B, AB

ABXB

A, B, AB

ABXA

A, B, AB

BXB

O, B

AXB

A, B, AB, O

AXA

A, O

OXAB

A lub B

OXA

A, O

OXB

O, B

OXO

O

Wykluczenie ojcostwa:

Dziecko posiada dominujące cechy A1, A2 i B, które nie istnieją u domniemanego ojca ani u matki. Wyjątek stanowi grupa A2 będąca recesywna w stosunku do grupy A1. Może ona wystąpić u dziecka, jeśli mężczyzna lub matka maja grupę A1 (oboje to heterozygoty A1, A2 lub krzyżówka A1A2xA1O).

Pozwany mężczyzna ma grupę O, zatem nie może być ojcem dziecka grupy A1B lub A2B.

Pozwany mężczyzna grupy A1B oraz A2B nie może być ojcem dziecka grupy O.

Geny plejotropowe

U roślin i zwierząt wyróżnić można geny polifeniczne, czyli plejotropowe, które zapewniają korelacje (zależności) między różnymi cechami. Jeden gen plejotropowy wpływa na co najmniej 2 różne cechy organizmu pozornie nie powiązane ze sobą. Efekt działania genów plejotropowych określa się mianem polifenii lub plejotropii. Obserwuje się plejotropię pozorną i plejotropię właściwą. Przy polifenii pozornej gen wpływa na daną cechę ujemnie osłabiając tym samym żywotność organizmu. Polifenia ma ścisły związek ze zjawiskiem sprzężenia genów. Przykłady: błękitnosrebrzyste umaszczenie norek skorelowane jest z ich łagodnym usposobieniem; skąpe i łamliwe upierzenie drobiu jest skorelowane z obniżoną płodnością, z większym apetytem i z podwyższonym tętnem; czerwona barwa kwiatów łubinu żółtego skorelowana jest z brunatną barwą nasion.

Geny polimeryczne

Geny polimeryczne, czyli poligeny to materialne cząstki – jednostki dziedziczenia należące do różnych par allelicznych (allelomorficznych), działające w kierunku wytworzenia jednej określonej cechy. Poligeny wpływają na wytworzenie cech ilościowych, czyli takich, które można zmierzyć lub zważyć. Są to geny o niewielkich momentach indywidualnych. Odkrył je w 1909 r. szwedzki genetyk Nillson-Ehle.

Nillson-Ehle krzyżował różne odmianyTriticum aestivum: odmianę o kłosach i ziarniakach białych z genotypem a1a1a2a2 z odmianą o kłosach i ziarniakach czerwonych z genotypem A1A1A2A2. Osobniki pokolenia F1 miały genotyp A1a1A2a2 i kłosy oraz ziarniaki różowe. Tworzyły one 4 typy gamet: A1A2, a1A2, A1a2, a1a2. Z tych gamet powstały osobniki zabarwione czerwono w 15 różnych kombinacjach, od jasno- do ciemnoczerwonych, a także 1 osobnik o ziarniakach i kłosach białych. Dokładny stosunek osobników jest następujący 1:4:6:4:1, czyli:

1 osobnik o 4 cechach dominujących A1A1A2A2; kłos czerwony;

4 osobniki o 3 cechach dominujących i 1 cesze recesywnej: A1a1A2A2; kłos jasnoczerwony;

6 osobników o 2 cechach recesywnych i 2 cechach dominujących A1a1A2a2; kłos różowy;

4 osobniki o 3 cechach recesywnych i 1 cesze dominującej: A1a1a2a2; kłos jasnoróżowy;

1 osobnik o 4 cechach recesywnych: a1a1a2a2; kłos biały.

Relacje otrzymanych osobników, czyli stosunki rozszczepień można przedstawić w formie trójkąta Pascala; pod warunkiem jednak, ze znamy liczbę par genów rozpatrywanych i sumę osobników:

1:2:1

1:4:6:4:1

1:6:15:20:15:6:1

trójkąt Pascala

Jeżeli skrzyżujemy osobniki o cechach wyrażonych pośrednio, to w pokoleniu F1 uzyskamy osobniki podobne do wyjściowych, a w F2 osobniki zabarwione i białe. Dojdzie do przewyższenia typów rodzicielskich pod względem wyrażonych cech. Takie zjawisko nosi nazwę transgresji.Poligeny kumulują wówczas swoje działanie (geny kumulatywne).

Inaczej jest w przypadku skrzyżowania gatunku Capsella bursa-pastoris o owocach trójkątnych z gatunkiem Bursa heggerii o owocach wrzecionowatych. W F1 uzyskamy osobniki o owocach trójkątnych, a w F2 nastąpi rozszczepienie w stosunku 15:1. Jeden osobnik będzie miał owoce wrzecionowate, a 15 osobników owoce trójkątne. Ten typ dziedziczenia jest uwarunkowany przez poligeny niekumulatywne. Owoce wrzecionowate występują u genotypu złożonego z genów recesywnych. Wystarczy aby był 1 gen dominujący aby wystąpił owoc trójkątny.

Transgresja może być dodatnia – jeżeli cecha jest lepiej wyrażona niż u jednego z rodziców lub ujemna – jeżeli cecha jest słabiej wyrażona niż u jednego z rodziców.

Dziedziczenie płci

Zwierzęta i rośliny wyższe dziedziczą płeć zgodnie z I prawem Mendla. W wyniku segregacji genów powstają dwojakiego rodzaju gamety w stosunku 1:1. Podobne stosunki zachodzą przy krzyżowaniu heterozygot z recesywną homozygotą.

U człowieka i muszki owocowej występują różne chromosomy płci – heterochromosomy (allosomy). Wszystkie pozostałe to autosomy. Muszka ma 4 pary chromosomów, w tym 3 autosomów i 1 heterochromosomów. Wszystkie chromosomy z wyjątkiem heterochromosomów są pod względem morfologicznym do siebie podobne i stanowią pary homologiczne. Chromosomy płci często różnią się między sobą kształtem, mimo, że należą do jednej pary. W mejozie powstaje 50% gamet z chromosomem X i 50% gamet z chromosomem Y. Płeć u człowieka determinuje się z chwilą zapłodnienia. Osobniki żeńskie mają 22 autosomy i 2 allosomy żeńskie X (para XX + 22 pary autosomów = 23 pary chromosomów). Chromosomy X pod względem kształtu są do siebie podobne. U osobników męskich oprócz 22 par autosomów występuje 1 para heterochromosomów. Jeden pochodzi od matki – X, a drugi od ojca – Y. Chromosom X jest o połowę dłuższy od chromosomu Y. Oba tworzą biwalent heteromorficzny. Osobniki żeńskie tworzą gamety jednorodne i są homozygotyczne, a osobniki męskie tworzą dwojakiego rodzaju gamety (heterozygotyczne).

U kur jest odwrotnie: osobniki męskie mają chromosomy XX i są homozygotyczne; żeńskie zaś zawierają chromosomy XY i są heterozygotyczne.

Ciałko Baara i hipoteza Mary Lyon

W komórkach samic (i kobiet) występuje grudka chromatyny płciowej, zwana ciałkiem Baara (Murray Baar odkrył je w 1949 r.). Zlokalizowana jest ona najczęściej w pobliżu blaszki wewnętrznej otoczki jądrowej. U samców nie występuje. W 1961 r. Mary Lyon stwierdziła, że ciałko Baara to jeden z nieczynnych chromosomów X. W komórkach somatycznych jeden z chromosomów X (proces losowy) ulega inaktywacji i nie podlega transkrypcji. Zatem stężenie produktów chromosomu X u kobiet i u mężczyzn (również zawierających chromosom X) jest równe. Z tego względu, że inaktywacja chromosomu X odbywa się przypadkowo, jedne komórki kobiety zawierają aktywny chromosom X od ojca, a inne aktywny chromosom X od matki. Podczas mitozy unieczynniony chromosom X ulega replikacji z opóźnieniem.

Dziedziczenie sprzężone z allosomami

Cecha sprzężona z płcią to właściwość determinowana przez gen zlokalizowany na chromosomie Y lub X. Cechy określane przez geny chromosomu Y podlegają tzw. dziedziczeniu holandrycznemu. Przykładem może być dziedziczenie czynników TDF determinujących jądra (testis). Czynniki TDF są przekazywane wyłącznie synom w chromosomie Y.

W przypadku chromosomu X dziedziczenie cech sprzężonych z płcią może być recesywne lub dominujące. Tą drogą odziedzicza się wiele chorób.

Dystrofia mięśniowa Duchene`a to choroba przekazywana w genie zlokalizowanym na chromosomie X. Jest to cecha recesywna. Tylko chłopcy są chorzy. Kobiety są nosicielkami. Zdrowy mężczyzna nie przekazuje choroby. Gdy matka jest nosicielką, a ojciec zdrowy wówczas połowa synów będzie chora, a połowa córek stanie się nosicielkami. U nosicielek choroba nie daje pełnych objawów klinicznych, bowiem zawierają dwa chromosomy X i ten zmutowany ulega inaktywacji w komórkach somatycznych (lyonizacja – patrz hipoteza Lyon). Obserwuje się jedynie podwyższone stężenie kinazy kreatynowej. U chłopców natomiast choroba ma przebieg pełnoobjawowy i polega na postępującym osłabieniu mięśni oraz zaniku zdolności poruszania się. Większość dzieci umiera przed 20 rokiem życia. Do chorób recesywnych sprzężonych z chromosomem X należą również: daltonizm, hemofilia, rybia łuska, dystrofia mięśniowa Beckera, niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej.

Krwawiączka = hemofilia. Gen kodujący czynnik VIII potrzebny do krzepnięcia krwi jest zlokalizowany w chromosomie X. Allel h jest recesywny w stosunku do dominującego allelu H. Przypomnijmy, że kobieta posiada 2 chromosomy X, a mężczyzna 1 chromosom X. Jeżeli dokonamy krzyżówki kobiety z genotypem HH z mężczyzną o genotypie h- to synowie uzyskają genotyp H- a córki Hh. Córki staną się nosicielkami choroby i połowa ich synów będzie miała hemofilię. Kobiety homozygotyczne hh mogą się urodzić w małżeństwie, gdzie matka jest heterozygotą Hh, a ojciec jest hemofilikiem h-.

Do chorób dominujących dziedziczonych z chromosomem X należą: zespól Blocha i Sulzbergera, hipofosfatemia (krzywica oporna na wit. D), grupa krwi Xg, zespół Retta. W przypadku zespołu Retta (objawy to drgawki, nawyk ruchowy “mycia rąk”, upośledzenie umysłowe) cecha jest letalna dla mężczyzn. Zespól Blocha objawia się zanikiem pigmentu w skórze i w oku, upośledzeniem umysłowym, wyłysieniem, skórną wysypką pęcherzykową, wypadaniem zębów. Jest to cecha dominująca śmiertelnadla mężczyzn.

 

Rekombinacja genetyczna i sprzężenie genów raz jeszcze. Crossing over. Plazmidy

Rekombinacja genetyczna to proces, w wyniku którego powstają nowe układy genów, a więc nowe genotypy.

Niektóre cechy dziedziczą się niezgodnie z II prawem Mendla. Chromosomy są przekazywane z pokolenia na pokolenie w postaci określonej całości (kompleksu). Chromosomy są siedliskiem genów, zatem w 1 chromosomie znajduje się bardzo dużo genów. W procesach podziałowych komórki i zapłodnienia chromosomy są przekazywane z jednej komórki do drugiej, z jednej generacji do drugiej. Zatem geny zawarte w 1 chromosomie dziedziczą się razem, są ze sobą sprzężone. Cechy dziedziczą się w pewnych grupach, których jest tyle ile jest par chromosomów. Cech sprzężonych jest tyle ile chromosomów zawiera genom (n) w komórkach płciowych. Sprzężenie genów to łączne przekazywanie genów i warunkowanych przez nie cech, zlokalizowanych w tym samym chromosomie.

II prawo Mendla dotyczy genów znajdujących się na różnych chromosomach homologicznych, dziedziczących się niezależnie od siebie, a więc zgodnie z tym prawem.

Jeżeli geny znajdują się na chromosomach płci, wówczas określone cechy dziedziczą się razem z płcią; czyli sprzężenie z płcią to sprzężenie genów zlokalizowanych w chromosomach płciowych X i Y. Termin gen sprzężony z płcią odnosi się jednak zwykle do genów zlokalizowanych w chromosomach X. Cechy warunkowane przez takie geny noszą nazwę cech sprzężonych z płcią, o czym wspominaliśmy wcześniej.. Wykazują charakterystyczny sposób dziedziczenia, zależny od kierunku krzyżowania.

Barwa oka muszki owocowej zależy od genu zlokalizowanego w chromosomie X, a występującego w formie 2 alleli, z których allel białej barwy w jest recesywny w stosunku do allelu barwy czerwonej W. Chromosom Y nie zawiera tego genu. Barwa oka zależy od kierunku krzyżowania. Jeżeli skrzyżujemy czerwonooką samicę z białookim samcem to w potomstwie otrzymamy wszystkie osobniki czerwonookie. Jeżeli skrzyżujemy białooką samicę z czerwookim samcem otrzymamy w potomstwie: samce białookie i samice czerwonookie:

I wariant

P: ♀ WW czerwonooka x ♂ w- białooki

F1: ♀♀Ww czerwonooka; ♂♂W- czerwonooki (XY)

F2: ♀Ww czerwonooka, WW czerwonooka; ♂W- czerwonooki, w- białooki

II wariant

P: ♀ ww białooka x ♂ W- czerwonooki

F1: ♀ Ww czerwonooka; ♂ w- białooki

F2: ♀ ww białooka, Ww czerwonooka; ♂ w- białooki, W- czerwonooki

Tomasz Morgan dowiódł, że u muszki owocowej cechy sprzężone z płcią (zabarwienie ciała, barwa oczu) dziedziczą się na krzyż; geny matki otrzymują synowie, a ojca – córki. Podczas mejozy między chromosomami homologicznymi, a właściwie chromatydami zachodzi proces wymiany odcinków – crossing over. W stadium diplotenu chromosomy homologiczne rozchodzą się i tworzą się między nimi przerwy. Jedynie w kilku miejscach SA one połączone ze sobą. Te miejsca to chiazmy, czyli punkty skrzyżowania chromatyd. Chiazmy przesuwają się ze środkowych odcinków ku końcom chromosomów. Następuje proces zwany terminalizacją chiazm. W chiazmach zachodzi proces wymiany chromatyd między chromosomami homologicznymi, czyli wspomniany crossing over.

Crossing over przerywa grupy sprzężeń i powstają nowe kombinacje cech, czyli zachodzi wymiana materiału genetycznego. Obecnie panuje teoria mechanistyczna crossing over: pękanie i ponowne łączenie się chromatyd. Geny położone blisko siebie są silnie sprzężone i rzadko rozdzielają się w crossing over, natomiast geny leżące daleko od siebie są słabiej sprzężone i częściej ulegają wymianie. Częstotliwość wymiany genów jest wprost proporcjonalna do ich odległości. Im większa jest odległość, tym większa jest częstotliwość wymiany, im odległość mniejsza, tym częstotliwość wymiany jest mniejsza. Procent wymiany między poszczególnymi genami jest stały. Odległość między genami w chromosomach jest mierzona w jednostkach Morgana (morgany). Jeżeli wymiana między genami wynosi 1% to odpowiada to jednemu morganowi.

Wymiana materiału genetycznego może zachodzić w obrębie alleli tego samego genu, w wyniku crossing over wewnątrzgenowego lub konwersji, czyli odwrócenia (niewzajemna rekombinacja genetyczna). W wyniku konwersji mejotycznej z komórki heterozygotycznej Aa mogą powstać 3 komórki z allelami A i jedna z allelem a; powstaje w wyniku naprawy uszkodzeń DNA powstałych w czasie wymiany nici między homologicznymi chromosomami.

U bakterii rekombinacja genetyczna jest związana z koniugacją, transformacją i transdukcją.

Rekombinacja genetyczna to wtórne źródło zmienności genetycznej, szczególnie ważne w ewolucji. Koniugacja u bakterii to proces polegający na łączeniu się dwu komórek bakteryjnych i przekazywaniu materiału genetycznego z jednej komórki do drugiej. Zachodzi najczęściej między komórkami F+ zawierającymi czynnik F (czynnik określający płeć bakterii zbudowany z DNA, zlokalizowany w cytoplazmie lub wbudowany w genofor; należy do episomów) jako dawcy i komórkami F- jako biorcy. Materiał genetyczny jest przekazywany za pomocą mostka – fimbrii płciowej. Zatem, poprzez koniugację lub transdukcję zachodzi przenoszenie pozachromosomowych elementów genetycznych z budowanych z DNA z jednej komórki do drugiej, np. czynnika R – odporności na antybiotyki (kolejny rodzaj episomu).

Źródłem rekombinacji są także transpozony, czyli wędrujące odcinki DNA mogące zmieniać swoje położenie w genomie (transpozycja). Odkryte zostały przez Barbarę Mc Clintock w 1951 r. (nagroda Nobla w 1983 r.) podczas badania dziedziczenia cech u kukurydzy. Efektem działania transpozonów są gwałtowne zmiany fenotypowe.

Rekombinacja genetyczna jest niezbędna do specjalizacji i w procesie adaptacji organizmu do środowiska. Dzięki niej organizm wykazuje elastyczność adaptacyjną – przystosowawczą do zmieniających się warunków. Wybitnym tego przykładem jest dostosowywanie się układu odpornościowego do różnych antygenów oraz możliwość wytwarzania przeciwciał w stosunku do nowych antygenów. W ten sposób specjalizują się np. limfocyty B w ciągu życia osobniczego. Wiele pasożytów aby nie ulec eliminacji w żywicielu zmienia swoje właściwości antygenowe, np. Trypanosoma(świdrowiec) dzięki rekombinacji genetycznej modyfikuje skład chemiczny swoich glikoprotein powierzchniowych na które jest wrażliwy układ odpornościowy żywiciela. Żywiciel wytwarza przeciwciała przeciwko parazytowi goniąc niejako zmienność pasożyta. Pasożyt, aby osiągnąć cel (przetrwać i rozmnożyć się kosztem gospodarza) musi zawsze przewyższać rekombinacją genetyczną swojego żywiciela.

Źródłem rekombinacji są również mutacje. Kilkukrotne mutacje genu powodują najczęściej to, że nie koduje on już aktywnego białka, przestają być aktywnymi funkcjonalnie genami. Takie geny – relikty nazywamy pseudogenami.

Drobne mutacje mogą jednak spowodować powstanie nowego aktywnego funkcjonalnie genu. W ten sposób powstały, np. geny kodujące białka wchodzące w skład hemoglobiny. Wszystkie geny zapewniające wytworzenie hemoglobiny pochodzą ewolucyjnie, wywodzę się z 1 genu – pragenu, który kodował praglobinę. Geny wywodzące się od 1 wspólnego przodka – pragenu, nazywamy rodziną genów.

Powstawanie genu nowego polega często na duplikacji starego. Mutacje w genach determinujących strukturę przestrzenną białka spotyka się rzadko. Częstość wymiany i duplikacji fragmentów genów zwiększają introny. Większość genów kodujących białka powstało przez wymianę lub duplikację fragmentu. Dzięki intronom wycięcie lub wstawienie egzonów nie musi być aż tak precyzyjne jak w przypadku łańcucha złożonego tylko z odcinków kodujących. Introny zwiększają obszar miejsc rekombinacji i duplikacji, zwiększają szybkość ewolucji białek. Bakterie, sinice nie mają intronów ze względów oszczędnościowych, małych rozmiarów ciała i warunków bytowania. Do białek stabilnych ewolucyjnie (i tym samym genów je kodujących) należą histony.

W komórkach bakteryjnych występująplazmidy – małe koliste cząsteczki DNA pozanukleoidowe (pozachromosomowe). Do plazmidu może przyłączyć się polimeraza, Dzięki temu czemu replikuje się ona niezależnie od nukleoidu. Plazmidy to nieliniowe genofory. Istnieje teoria, że wirusy powstały z plazmidów, które droga rekombinacji nabyły geny kodujące białka. Dzięki temu zrekombinowany genom mógł otoczyć się białkiem (płaszczem białkowym) i zyskać pewną indywidualność.

Plazmidy, które mają zdolność łączenia się z chromosomem noszą nazwę episomów (episomy zintegrowane). Episomy zintegrowane z nukleoidem ulegają wraz z nim replikacji. Episomy autonomiczne replikują się niezależnie od nukleoidu. W plazmidach zawarte są geny kodujące cechy o wartości przystosowawczej, np. odporność na związki chemiczne, zdolność wytwarzania jadów. Występują również u niektórych grzybów (drożdże).

Mutacje

Mutacje genowe. Mutacje genowe zachodzą w obrębie genu; są to zmiany w strukturze genu i dotyczą jednego locus – siedliska genu. Innymi słowy, mutacje genowe to zmiany w I-rzędowej strukturze DNA, wywołane czynnikami mutagennymi, powodujące w konsekwencji zmiany w budowie białka. Najbardziej rozpowszechnione są mutacje punktowe polegające na zmianie w jednym miejscu łańcucha DNA; można je podzielić na 4 typy:

Tranzycja – polega na zamianie w podwójnym łańcuchu DNA jednej pary zasad na inną, np. zamiana 1 zasady purynowej na inną. Są to z reguły mutacje spontaniczne, jednakże mogą być wywołane przez analogi zasad jak, np. 5-bromouracyl (analog tyminy), 2-aminopurynę (analog guaniny). Tranzycję powoduje między innymi kwas azotowy HNO3 i hydroksylamina NH2OH – zmienia cytozynę na uracyl.

Transwersja – jest to zamiana w podwójnym łańcuchu pary: puryna-pirymidyna na parę pirymidyna-puryna.

Addycja – polega na wprowadzeniu do podwójnego łańcucha DBA dodatkowej pary zasad, a czynnikiem wywołującym ten typ mutacji są barwniki akrydynowe, które mogą wstawiać się dzięki płaskiej konformacji. Przy replikacji naprzeciw akrydyny zostaje umieszczona dowolna zasada.

Delecja – to wypadnięcie jednej pary zasad z łańcucha DNA; następuje to pod wpływem hydrolizy, zmiany pH, niskiej temperatury, zasad, które powodują powstanie pochodnych zasad niezdolnych do tworzenia par.

Pierwsze dwa typy mutacji: tranzycja, transwersja - nie powodują groźnych zmian w budowie syntetyzowanego białka, gdyż ogranicza się to tylko do zmiany w nim jednego aminokwasu. Natomiast addycja i delecja powodują głębokie, bardzo niepożądane zmiany w białku a w konsekwencji są przyczyną braku aktywności biologicznej substancji białkowej, np. enzymu. Każde ustawienie lub wypadnięcie fragmentu DNA o ilości nukleotydów niepodzielnej przez 3 powoduje zmianę znaczenia wszystkich tripletów od miejsca mutacji. Delecja i addycja zmienia tzw. ramkę odczytu dla tripletów.

Mutacje mogą powstawać spontanicznie (przypadkowo), samoistnie lub mogą być spowodowane mutagenami. W przyrodzie mutacje są najczęściej wywołane promieniowaniem ultrafioletowym, związkami chemicznymi, niską temperaturą, czynnikami mechanicznymi. Geny dominujące zmieniają się wówczas na recesywne, rzadko odwrotnie. U roślin uprawnych mutacje często są spowodowane nawozami i pestycydami. Zmiany w genach mogą zachodzić w komórkach somatycznych – mutacje somatyczne = wegetatywne i w komórkach płciowych – mutacje generatywne.

U roślin mutacje somatyczne są powodem powstania różnorodnych genetycznie i morfologicznie tkanek lub całych organów; są to chimery. Chimera sektorialna złożona jest z tkanek prawidłowych i zmutowanych, np. kwiat astra: koszyczek złożony jest z kwiatów rurkowych do połowy i z kwiatów języczkowych do połowy – kwiat półpełny. Chimery peryklinalne mają zmutowane warstwy wewnętrzne, a zewnętrznie są prawidłowe lub odwrotnie (tkanki zmutowane leża obok tkanek prawidłowych lub jedna otacza drugą). Mutacje somatyczne są źródłem nowych odmian roślin, można je rozmnożyć wegetatywnie, np. przez okulizację. Dzięki temu wyhodowano winogrono bez pestek, rozmaite odmiany grusz, śliw, jabłoni.

W przeciwieństwie do mutacji somatycznych, mutacje generatywne są przekazywane potomstwu przez gamety.

Częstość mutacji zależy od rodzaju genów. Niektóre geny są bardzo stabilne, inne – labilne i często mutują. Dla przykładu, gen R wywołujący barwę aleuronu w ziarniakach kukurydzy często mutuje w gen r – aleuron bezbarwny. Stadler wykazał, że na 1 mln. osobników było 492 mutacji.

Do genów stabilnych należy gen Sh wpływający na wykształcenie endospermu w ziarniakach. Może on zmutować do genu sh, który odpowiada za wykształcenie płaskiego endospermu ziarniaka. Na 1 mln. Przypada 1,2 mutacje!

Często ulegają mutacji geny zwane allelami wielokrotnymi. Podstawowy główny gen może zmutować w różnych kierunkach, np. u muszki owocowej gen W czerwonej barwy oczu może zmieniać się w kierunku barwy koralowej, eozynowej, krwistej, morelowej, perłowej i białej. Jeżeli krzyżujemy osobniki o oczach białych to pokolenie F1 ma oczy czerwone, a w pokoleniu F2 nastąpi rozszczepienie w stosunku 3:1. Podobne stosunki rozszczepień będą przy krzyżowaniu osobników o oczach czerwonych, koralowych, krwistych itd.

Samoniezgodność roślin jest także uwarunkowana przez allele wielokrotne. W obecności tych samych genowe osobniki nie mogą być zapłodnione własnym pyłkiem i obcym, jeżeli w nim występują podobne geny. Jeżeli komórka jajowa danej rośliny ma geny S1S2 i takie same geny znajdują się w ziarnach pyłku, wówczas łagiewka pyłkowa nie przedostaje się przez szyjkę słupka i nie zapłodni komórki jajowej. Zjawisko to zwie się samoniezgodnością. Kiełkowanie i wzrost łagiewki nie są natomiast hamowane wtedy, kiedy w komórce jajowej i plemnikowej znajdują się różne geny należące do serii allelicznej, np. S1S2 w ziarnie pyłku i S3S4 w komórkach jajowych.

Geny tworzące serię z podstawowym, dominującym genem są często zmutowane, jednakże za każdym razem w innym fragmencie genu. Dlatego zmienia się ich funkcja, wywołują inny efekt fenotypowy, lecz zarazem stanowią zawsze parę z genem wyjściowym, dominującym.

Mutacje można wywołać sztucznie za pomocą mutagenów. Indukowane mutacje po raz pierwszy wywołał w 1927 r. Muller u muszki owocowej za pomocą promieni Rentgena X. W późniejszych latach wspomniany wcześniej Stadler otrzymał sztuczne mutacje u kukurydzy i jęczmienia. Promienie X, gamma i beta jonizują atomy w związkach organicznych, które łącząc się z tlenem tworzą rodniki organiczne. Rodniki te reagują z DNA powodując pęknięcia w jego łańcuchach lub w chromosomach. Po naświetleniu męskich narządów płciowych promieniami X obserwuje się wzrost mutacji punktowych autosomalnych dominujących (1 na 500). Niebezpieczne jest naświetlanie komórek jajowych, zygoty i zarodka. Wywołuje ono wystąpienie wad wrodzonych (1 na 1000; przy jednym radzie), zwiększa ryzyko wystąpienia nowotworu u dziecka. W razie zadania ciężarnej więcej niż 20 radów należy nakłonić poszkodowaną do przerwania ciąży.

Promienie UV powodują pęknięcie wiązań fosfodwuestrowych w DNA, co doprowadza do powstania dodatkowych wiązań poprzecznych między dwoma łańcuchami DNA. Powodują także nieprawidłowe łączenie się zasad w pary, wbrew regule komplementarności. Efektem tego są mutacje letalne.

Pod wpływem promieniowania jonizującego powstają wolne rodniki: H2O ---radioliza---→ H2O* + e-. H2O* jest nietrwały i rozpada się na proton oraz rodnik hydroksylowy. W wyniku radiolizy powstają ujemne i dodatnie jony wody, jony hydroksylowe i wodorowe, nadtlenki, rodniki OH* i H*. Wolne rodniki oddziałują z cząsteczkami organicznymi tworząc toksyczne lub nieprawidłowo działające związki dla ustroju. Cytozyna rozpada się np. do kw. barbiturowego, a tymina do glikolu. Rezultatem tego jest zmiana ładunku powierzchniowego błony komórkowej, zaburzenia przesyłania informacji, zaburzenia w kumulacji i przesyłaniu energii, uszkodzenie DNA.

U roślin obserwuje się często mutacje chlorofilowe. Wyróżnić można 6 podstawowych typów mutacji chlorofilowych:

I        albina – u roślin brak ksantofilu, chlorofilu i karotenu;

II       ksanta – występują karotenoidy, brak chlorofilu;

III      chlorina – żółtawe zabarwienie liści;

IV      viridis – rośliny różnorodnie zabarwione, od żółtozielonego do jasnozielonego;

V       lutenscens – zielona barwa zanika, pojawia się barwa żółta, liście zasychają;

VI      striata – podłużne pasma na siewkach.

Mutacje chlorofoilowe są dobrze widoczne fenotypowo, dlatego nazwano je makromutacjami, w przeciwieństwie do mutacji drobnych – mikromutacji, słabiej fenotypowo wyrażonych. Makromutacjeplejotropowe, czyli działają na wiele różnych cech. Mikromutacje powstają wskutek zmian genów polimerycznych, wywołujących cechy ilościowe.

Mutacje chromosomowe, czyli aberracje są zmianami strukturalnymi, polegającymi głównie na zmiennym uszeregowaniu liniowym genów w chromosomach. Powstają w mejozie w sposób spontaniczny lub indukowany. Do typowych aberracji chromosomowych należą: deficjencja, duplikacja, inwersja i translokacja.

Deficjencja:poszczególne odcinki chromosomu wypadają i przy dalszych podziałach komórki giną lub przyczepiają się do innych chromosomów. Jeżeli dany fragment odpadnie w części środkowej to drugi chromosom homologiczny podczas konjugacji wygina się w postać klamry. Gdy fragment odpadnie na końcu chromosomu, wówczas koniec drugiego chromosomu homologicznego staje się cieńszy.

Duplikacja: niektóre segmenty chromosomu homologicznego ulegają podwojeniu lub potrojeniu, w następstwie tego zwiększa się liczba genów, zmienia się ich położenie i sąsiedztwo.

Inwersja – polega na odwróceniu się odcinka w tym samym miejscu chromosomu o 180o, przy czym układ liniowy genów pozostaje bez zmian. Inwersja może dotyczyć 1 chromosomu – inwersja heterozygotyczna, lub obu chromosomów – inwersja homozygotyczna. Przy inwersji heterozygotycznej chromosom drugi – homologiczny dążąc w trakcie koniugacji do parzystego ustawienia alleli – może wyginać się w postaci pętli.

Translokacja – polega na tym, że odcinek lub połowa jednego chromosomu zespala się z odcinkiem drugiego niehomologicznego chromosomu. Może zaistnieć translokacja heterozygotyczna lub homozygotyczna.

Mutacje strukturalne mogą być intrachromosomowe – zachodzą w obrębie 1 chromosomu, i interchromosomowe – dotyczą zmian pomiędzy różnymi chromosomami.

Mutacje chromosomowe można wywołać promieniami jonizującymi i mutagenami chemicznymi.

Celowe, zamierzone rekonstrukcje chromosomów określa się mianem inżynierii chromosomowej. Są to rekonstrukcje chromosomów u mieszańców międzygatunkowych, tzn. odcinki chromosomowe z jednego gatunku przechodzą do drugiego i odwrotnie. Zjawisko takie zachodzi u pszenżyta, pszenperzu.

Mutacje chromosomowe odegrały w ewolucji dużą rolę. Dzięki krzyżowaniu się i wymianie genów między chromosomami różnych gatunków następowała przebudowa genotypu i powstawały nowe gatunki oraz formy. Wykorzystuje się to powszechnie w pracy hodowlanej.

Następstwa delecji chromosomowej. W wyniku niezrównoważenia chromosomowego pojawiają się wady rozwojowe u dziecka. Delecja krótkiego ramienia chromosomu 9 jest przyczyną wystąpienia zespołu Wolfa: upośledzenie umysłowe, ubytek tęczówki, dysmorfizm twarzy. Delecja chromosomu 15 wywołuje zespół Pradera-Williego: uposledzenie umysłowe, obniżenie tonus mięśni, niedorozwój narządów płciowych, płaskość twarzy, namiotowość górnej wargi, zaburzenia połykania; w wieku późniejszym dzieci są otyłe.

Mutacje genomowe

Genom to monoploidalny zespół chromosomów, wraz z podstawowym zestawem zawartych w nim genów (np. w komórkach płciowych). Jeden genom pochodzi od matki, a drugi od ojca. Komórki zawierające 1 genom są komórkami haploidalnymi (monoploidalnymi), dwa genomy – komórkami diploidalnymi (komórki somatyczne). Organizmy mające więcej niż dwa genomy w komórkach somatycznych nazywamy poliploidami. W poliploidach występuje zwielokrotniona liczba genomów lub też ich garnitur chromosomowy jest uzupełniany dodatkowymi chromosomami. Poliploidia u człowieka powstaje wskutek zapłodnienia oocytu dwoma plemnikami. Powodem jej są także zaburzenia kariokinezy podczas oogenezy lub spermatogenezy. Należy dodać, że tzw. zasada czystości gamet nie odnosi się do poliploidów.

Jeżeli zwiększona jest podstawowa wielokrotna liczba chromosomów (n) to mamy do czynienia z euploidami, np. organizmy mające 3 genomy to triploidy ( uczłowieka jest wówczas 69 chromosomów), 4 genomy – tetraploidy, 5 genomów – pentaploidy, 6 genomów – heksaploidy, 7 genomów – septoploidy, 8 genomów – oktaploidy. Naturalnymi poliploidalnymi komórkami są megakariocyty i hepatocyty. Triploidalne osobniki ludzkie umierają w większości w łonie matki. Urodzone dzieci triploidalne są zdeformowane i mają liczne wady rozwojowe organów wewnętrznych.

Jednakże w obrębie genomów mogą zwiększać lub zmniejszać liczby pojedynczych chromosomów. Wówczas takie organizmy zwie się aneuploidami, np. organizm zawierający 2 genomy (2 n) i 1 dodatkowy chromosom (2 n + 1 chr.) to trisomik (trisomiczny organizm, trisomia). Organizm mający 2 genomy i 2 dodatkowe chromosomy to tetrasomik (2n + 2 chr. = tetrasomicyzm, tetrasomia). Nierozłączenie się chromosomów nosi nazwę nondysjunkcji mejotycznej lub mitotycznej. Częstość nondysjunkcji u człowieka wzrasta wraz z wiekiem matki, po napromieniowaniu oraz przy nadczynności tarczycy kobiety. Jeśli w obrębie genomu brakuje 1 chromosomu (pojedynczego chromosomu) to mówimy o monosomikach 2n – 1 chr. = monosomiczność (monosomicyzm). Jeżeli w komórce osobnika brakuje dwóch chromosomów homologicznych to mówimy o nullsomiczności lub nullsomicyzmie 2n – 2 chr. homol. = nullsomiczność.

Trisomia przy 13 parze chromosomów – zespół Pataua – mutacja przejawia się rozszczepem wargi i podniebienia, degeneracją małżowin usznych, zaciśniętymi pięściami, degeneracją mózgowia i uwstecznieniem oczu (mikroftalmia), wnętrostwem i wadami wrodzonymi serca. Połowa dzieci umiera w I miesiącu po urodzeniu.

Trisomia przy 21 parze chromosomów jest powodem wystąpienia mongolizmu, czyli zespołu Downa. Częstość mutacji tej wzrasta wraz z wiekiem matki. Dzieci z zespołem Downa wykazują niski wzrost, szerokie, skośne rozstawienie oczu z fałdą nakątną, spłaszczony i mały nos, suchość skóry, upośledzenie umysłowe i ruchowe, płaskość twarzy, niskie osadzenie małżowin usznych, krótkie i zakrzywione palce, wady wsierdzia.

Trisomia przy 18 parze chromosomów – zespół Edwardsa – mutacja jest z reguły letalna, większość (95%) przypadków kończy się śmiercią w łonie matki (poronienie). Urodzone osobniki są upośledzone umysłowo, mają małą, cofniętą brodę, wydatną potylicę, łyżwiaste stopy, nisko osadzone uszy, zaciśnięte pięści, wady rozwojowe nerek i serca.

Zwiększenie liczby chromosomów płciowych

47, XYY, czyli dodatkowy chromosom Y – mutacja przejawia się wysokim wzrostem, agresywnością i frustracją osobnika. Obniżenie inteligencji jest rzadkością.

47, XXY, czyli dodatkowy chromosom X – zespół Klinefeltera - mutacja przejawia się bezpłodnością, małymi genitaliami, ginekomastią, silnie wydłużonymi kończynami, obniżeniem inteligencji, skoliozą i osteoporozą.

47, XXX, czyli dodatkowy chromosom X u kobiet – mutacja przejawia się obniżona inteligencją.

Monosomia 45, X – brak jednego chromosomu płciowego - zespół Turnera – mutacja manifestuje się niedrożnością naczyń chłonnych, niskim wzrostem, brakiem menstruacji, szeroką klatką piersiową, dużym rozstawem piersi, krótką płetwiastą szyją ze sporymi fałdami skóry, zwłóknieniem jajników, zwężeniem aorty, wadami rozwojowymi nerek i serca.

Zwielokrotnienie liczby chromosomów w obrębie tego samego gatunku prowadzi do powstania form autoploidalnych.

Rośliny poliploidalne mogą powstawać wskutek krzyżowania dwu różnych gatunków lub nawet rodzajów. Formy posiadające co najmniej 2 różne genomy pochodzące od conajmniej dwóch różnych gatunków lub rodzajów nazywamy alloploidami. Karpaczenko skrzyżował kapustę Brassica o 18 chromosomach z rzodkiewką Raphanus, również o 18 chromosomach. Oba gatunki mają więc po 9 chromosomów w gametach, tj. po 1 genomie. Genom kapusty B i genom rzodkiewki R po skrzyżowaniu stworzyły mieszańca BR o 18 chromosomach. Początkowo mieszaniec był niepłodny, bowiem chromosomy nie koniugowały ze sobą. Jednakże po pewnym czasie liczba chromosomów każdego genomu tj. R i B uległa podwojeniu: powstało 18 chr. genomu B i 18 chr. genomu R. Chromosomy genomu B koniugowały ze sobą, podobnie jak chromosomy genomu R. Doszło do powstania gamet i nasion. Takie rośliny zwie się amfidiploidalnymi, bowiem każdy rodzaj wniósł do krzyżówki po 2 genomy. Zatem cechy mieszańca były w połowie podobne do rzodkiewki i w połowie do kapusty.

Stebbins wyróżnił jeszcze alloploidy segmentalne, które powstają wskutek krzyżowania gatunków i podgatunków, które mają chromosomy o segmentach homologicznych i niehomologicznych. Alloploidy segmentalne mają właściwości autoploidów i alloploidów właściwych. Granica między auto- i alloploidami jest płynna i zależy od stopnia pokrewieństwa krzyżowanych gatunków, przy czym bardziej będzie ona płynna przy krzyżowaniu podgatunków /Tarkowski 1984/. Poliploidy powstają również podczas endomitozy – chromosomy dzielą się co najmniej dwa razy, ale sama komórka nie ulega podziałowi (nie zachodzi cytokineza). Są to komórki endoploidalne, z których tworzą się organy zawierające podowojona liczbę chromosomów. U roślin podlegają temu procesowi tkanki przewodzące, miękiszowe i włoski. U człowieka tak powstają hepatocyty (reduplikacja endomitotyczna).

Poliploidy roślinne naturalne powstają pod wpływem czynników fizycznych (np. niskiej temperatury) i mechanicznych.

Pierwszym sztucznym alloploidem był mieszaniec żyta z pszenicą (pszenżyto). Rimpau w 1889 r skrzyżował Triticum aestivum o 42 chr. z Secale cereale o 14 chr. U mieszańca nastąpiło podwojenie liczby chromosomów. Wykształciły się gamety o niezredukowanej liczbie chromosomów, które dały początek stabilnym roślinom o 56 chromosomach.

Cicin skrzyżował pszenicę z perzem (Triticum+Agropyrum) uzyskując pszenperz (Agrotriticum) – roślinę alloploidalną zimotrwałą, odporną na choroby i suszę, dająca wartościową zielonkę; zawierającą w nasionach 18-25% białka.

 

Dziedziczenie cytoplazmatyczne

Zespół genów zlokalizowanych w chromosomach nazywamy genomem, a kompleks czynników dziedzicznych znajdujących się w cytoplazmie poza chromosomami określamy jako plazmon. Geny pozajądrowe to plazmogeny. Plazmogeny leżą w mitochondriach, w centriolach, a u roślin – dodatkowo w plastydach. Cytoplazmatyczne DNA jest w dużej mierze autonomiczne. Na cytoplazmę wpływają jednak czynniki środowiskowe i modyfikują nie tylko funkcjonowanie plazmogenów, lecz także genów jądrowych (kariogenów). Cytoplazma jest podłożem, które ma wpływ na funkcjonowanie genów jądrowych i odwrotnie. Komórki zawsze należy rozpatrywać jako całość genetyczną i biochemiczną. Fenotyp komórki powstaje w wyniku interakcji genów jądrowych i plazmogenów. Komórki jajowe (ovocyty=oocyty) są bogate w cytoplazmę, natomiast plemniki są ubogie. Zatem geny pozachromosomowe przekazywane są za pośrednictwem cytoplazmy matki, nie zaś ojca. Dziedziczenie cytoplazmatyczne nie podlega prawom Mendla. Cechy strukturalne i funkcjonalne organelli zawierających plazmogeny są więc dziedziczone głównie po matce.

 

DNA fingerprinting

Jest to metoda pozwalająca na indywidualizację śladów biologicznych zawierających kwas dezoksyrybonukleinowy. Każdy człowiek ma swoisty, niepowtarzalny rozkład obszarów o dużej zmienności w materiale genetycznym. Znaleziony na miejscu przestępstwa materiał biologiczny (krew, włosy, fragmenty skóry, limfa, nasienie, wydzielina z pochwy) poddaje się specjalnej obróbce biochemicznej; DNA jest izolowany i cięty za pomocą enzymów restrykcyjnych na fragmenty, które poddaje się elektroforezie na specjalnym żelu. Fragmenty ulegają uszeregowaniu. Rozdzielone frakcje przekłada się metodą blottingu na błonę nylonową. Uszeregowane fragmenty identyfikuje się za pomocą homologicznych sond DNA znakowanych izotopowo, która przyłącza się do odpowiednich sekwencji nukleotydowych. Błonę nylonową poddaje się autoradiografii. Otrzymaną błonę rentgenowską wywołuje się. Zarejestrowany obraz morfologiczny obszarów o dużej zmienności poddaje się badaniom porównawczym z próbkami pobranymi od osób podejrzanych lub ofiar przestępstwa. Błona rentgenowska z zarejestrowanym obrazem ukazuje układ prążków charakterystyczny dla danej osoby - DNA - fingerprint - "odcisk genetyczny". Możliwe jest więc ustalenie przynależności śladów biologicznych do właściwej osoby.

Badania DNA wykorzystywane są w wykluczaniu lub potwierdzaniu ojcostwa.

 

Wybrane cechy genetyczne krwi

Zgodnie z prawami dziedziczenia cech grupowych krwi możliwe jest wykluczenie ojcostwa w dwóch przypadkach:

Dziecko reprezentuje cechę nie występującą u matki oraz u mężczyzny pozwanego o ojcostwo;

Dziecko wykazuje homozygotyczną cechę, przeciwstawną do homozygotyczności cechy mężczyzny pozwanego o ojcostwo.

 

Kodominujący układ grupowy MN:

Dziecko MN, matka MM, pozwany mężczyzna MM. Matka jest homozygotą MM. Dziecko odziedziczyło więc cechę M od matki. Zatem cecha N występuje od ojca - heterozygoty i on ją przekazał dziecku. Z ojcostwa można wykluczyć mężczyzn, którzy nie posiadają cechy N lecz są MM. Pozwany MM nie jest więc ojcem.

Dziecko MM, matka MN, pozwany NN. Dziecko odziedziczyło cechę po matce. Drugą jednak cechę odziedziczyło od ojca. Domniemany mężczyzna o cesze NN nie może być ojcem.

 

Układ Kell

Fenotyp KK występuje u 0,2% populacji ludzkiej, fenotyp Kk u 8,2%, a fenotyp kk u 91,6 %. W medycynie sądowej oznacza się antygen K. Ojcostwo pozwanego wyklucza się, gdy dziecko posiada cechy K (Kell +) przy jednoczesnym braku cechy K u pozwanego i u matki (Kell -).

Układ Hp

W układzie haptoglobin wyróżnia się 3 główne fenotypy: Hp 1-1 (14% populacji), Hp 2-2 (39% populacji) i Hp 2-1 (47% populacji), determinowane parą allelomorficznych genów Hp1 i Hp2. Dziedziczenie cech odbywa się na zasadzie kodominacji.

Wykluczenie ojcostwa:

Pozwany mężczyzna homozygotyczny o grupie Hp1-1 lub H2-2 nie może być ojcem dziecka z fenotypem Hp2-1, jeśli matka dziecka należy do tej samej grupy co pozwany.

Pozwany z grupą H1-1 nie może być ojcem dziecka mającego grupę Hp2-2 i odwrotnie, pozwany o grupie Hp2-2 nie może być ojcem dziecka grupy Hp1-1

Wykłady chronione prawami autorskimi

Henryk St. Różański

Krosno-Poznań 2002-2003