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 chromosomowy – monoploidalną
(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) +
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:
- rRNA – rybosomalny 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
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 – egzony
są łączone 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. Makromutacje są plejotropowe,
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