Semestr III -fizjologia komórki

•Budowa i funkcje białek -własności ogólne

Białka - wielkocząsteczkowe (masa cząsteczkowa od ok. 10 000 do kilku mln) biopolimery a właściwie biologiczne polikondensaty, zbudowane z reszt aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi -CONH-. Występują we wszystkich żywych organizmach oraz wirusach. Synteza białek odbywa się w specjalnych organellach komórkowych zwanych rybosomami.Zazwyczaj liczba reszt aminokwasowych pojedynczego łańcucha polipeptydowego białka jest większa niż 100, a cała cząsteczka może być zbudowana z wielu łańcuchów polipeptydowych (podjednostek).Głównymi pierwiastkami wchodzącymi w skład białek są C, O, H, N, S, także P oraz niekiedy kationy metali Mn2+, Zn2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+, Co2+ i inne.Skład ten nie pokrywa się ze składem aminokwasów. Wynika to stąd, że większość białek (są to tzw. białka złożone lub proteidy) ma dołączone do res zt aminokwasowych różne inne cząsteczki. Regułą jest przyłączanie cukrów, a ponadto kowalencyjnie lub za pomocą wiązań wodorowych dołączane może być wiele różnych związków organicznych pełniących funkcje koenzymów oraz jony metali.

Budowa białek

Zsyntetyzowany w komórce łańcuch białkowy przypomina unoszącą się swobodnie w roztworze "nitkę", która może przyjąć dowolny kształt (w biofizyce nazywa się to kłębkiem statystycznym), ale ulega procesowi tzw. zwijania białka (ang. protein folding) tworząc mniej lub bardziej sztywną strukturę przestrzenną, zwaną strukturą lub konformacja białka "natywną". Tylko cząsteczki, które uległy zwinięciu do takiej struktury, mogą pełnić właściwą danemu białku rolę biochemiczną.

Ze względu na skalę przestrzenną pełną strukturę białka można opisać na czterech poziomach:

• Struktura pierwszorzędowa białka, zwana również strukturą pierwotną - jest określona przez sekwencję (kolejność) aminokwasów w łańcuchu białkowym

• Struktura drugorzędowa białka - są to lokalne struktury powstające w wyniku tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy tlenem grupy >C=O, a wodorem grupy -NH, dwóch niezbyt odległych od siebie w łańcuchu wiązań peptydowych. Do struktur drugorzędowych zalicza się:

• helisę - gł. helisę alfa (ang. α helix)

• beta nici tworzące "pofałdowane kartki" (ang. β sheet)

• beta zakręt (ang. turn)

• Struktura trzeciorzędowa białka - Wzajemne położenie elementów struktury drugorzędowej stabilizowane przez oddziaływania reszt aminokwasowych oraz tworzenie mostków dwusiarczkowych -S-S-, powstających pomiędzy dwiema resztami cysteiny, dwoma resztami metioniny lub też jeden metioniny drugi zaś cysteiny w łańcuchu.

• Struktura czwartorzędowa białka - przestrzenna budowa białka zbudowanego z kilku łańcuchów polipeptydowych oraz zawierającego w swojej budowie jakąś część nie będąca częścią białka (np.: cukier lub barwnik) - np: hemoglobina może przybierać czwartorzędową budowę białka, gdyż poza kilkoma łańcuchami polipeptydowymi posiada jeszcze barwnik - hem.

Według najnowszej klasyfikacji białka mają tylko trzy rzędy budowy, trzeciorzędowa odpowiada trzeciorzędowej i czwartorzędowej razem według starej klasyfikacji. Powodem zmiany były trudności w klasyfikacji struktur niektórych białek oraz brak czwartorzędowowej innych. Dopuszcza się stosowanie obu klasyfikacji w okresie przejściowym.

Funkcja białek

Białka mają następujące funkcje:

• kataliza enzymatyczna - od uwadniania dwutlenku węgla do replikacji chromosomów,

• transport i magazynowanie - hemoglobina, transferyna, ferrytyna,

• kontrola przenikalności błon - regulacja stężenia metabolitów w komórce,

• ruch uporządkowany - np. skurcz mięśnia, aktyna i miozyna,

• wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych,

• bufory,

• kontrola wzrostu i różnicowania,

• immunologiczna,

• budulcowa, strukturalna.

• przyleganie komórek (np. kadheryny)

• regulatorowa - reguluje przebieg procesów biochemicznych

•Układ immunologiczny i immunoglobuliny

Układ immunologiczny - zwany również układem odpornościowym, nadaje kręgowcom zdolność odróżnienia własnych składników ustroju (ang. self) od obcych (ang. non-self) i odpowiedzi immunologicznej, dzięki której zwalcza zakażenia wywołane przez wirusy, bakterie i pierwotniaki, odrzuca obce przeszczepy tkankowe, a także przeciwstawia się rozwijającym się w organizmie nowotworom. Sprawnie funkcjonujący układ odpornościowy wychodzi na ogół zwycięsko z tej walki, ale w przypadku nowotworów ponosi zwykle porażkę.

Wielokomórkowe organizmy posiadają złożony układ immunologiczny pozwalający na walkę z patogenami. Składniki układu limfatycznego są również odpowiedzialne za wchłanianie płynów zewnątrzkomórkowych do krwi, jak i za produkcję białych ciałek krwi.

Bakterie i jednokomórkowe organizmy posiadają układ odpornościowy pozwalający na walkę przede wszystkim z bakteriofagami. Walka ta polega na wzmożeniu ekspresji genów enzymów tnących DNA w miejscach określonych sekwencji (enzymy restrykcyjne) oraz enzymów chroniących DNA przed enzymami restrykcyjnymi poprzez metylację. Dzięki temu mechanizmowi wirusowe DNA, które wniknęło do komórki bakteryjnej nie jest chronione i zostaje zdegradowane przez enzymy restrykcyjne.

Bezkręgowce posiadają różnego rodzaju mechanizmy obronne chroniące organizm przed patogenami. Są to zazwyczaj komórki żerne (np. celomocyty u pierścienic), enzymy proteolityczne, lektyny czy hemolizyny obecne w płynie jamy ciała.

Zazwyczaj, gdy mówimy o układzie odpornościowym mamy na myśli układ immunologiczny kręgowców. Rozważając bezkręgowce raczej mówimy o zjawiskach odpornościowych.

Skład i podstawowe mechanizmy działania układu immunologicznego człowieka:

Układ immunologiczny może być rozpatrywany jako skomplikowana sieć informacyjna, składająca się z wzajemnie ze sobą oddziałujących komórek, której zadaniem jest ciągła kontrola środowiska wewnętrznego organizmu, identyfikacja, ocena i ewentualna likwidacja zagrożeń natury biologicznej, czy wynikających z obecności innych organizmów (patogenów), czy niekontrolowanego namnażania się komórek własnego organizmu (nowotwór). Najważniejszymi elementami tej sieci są :

• Fagocyty (granulocyty, makrofagi itp.), komórki NK oraz dopełniacz i kilka innych składników osocza krwi jako składniki odpowiedzi nieswoistej, oraz odpowiedzialne za „podniesienie alarmu”.

• Komórki APC, limfocyty T, limfocyty B: część systemu odpowiedzialna za pozyskanie, ocenę antygenu oraz ewentualne zainicjowanie i kontrolowanie odpowiednich mechanizmów efektorowych. Procesy sterowane przez te komórki zwykło nazywać się odpowiedzią swoistą.

• Ramię efektorowe odpowiedzi immunologicznej, mające zwykle na celu likwidację, a przynajmniej neutralizację patogenu: fagocyty (w zasadzie te same co wyżej), komórki K, komórki NK, przeciwciała, limfocyty T (cytotoksyczne).

Antygeny:

Antygeny to substancje (praktycznie to zwykle makromolekuły białek lub ich fragmenty) mające następujące właściwości:

• immunogenność, to znaczy zdolność do wywoływania przeciw sobie swoistej odpowiedzi immunologicznej

• antygenowość, czyli zdolność do swoistego łączenia się z immunoglobulinami i receptorami limfocytu T.

Substancję wykazującą tylko antygenowość nazywamy haptenem.

Jest to podstawowe pojęcie immunologii, ponieważ działanie układu immunologicznego polega na nieustannym patrolowaniu organizmu, przechwytywaniu, obróbce i ocenie istniejących w tym środowisku antygenów, ignorowaniu i hamowaniu odpowiedzi na antygeny własne i nieszkodliwe, oraz reagowaniu na groźne. Jak są rozróżniane antygeny własne od cudzych, prawidłowe od nowotworowych jest do dziś tajemnicą, niewątpliwie jest ona zakodowana komórkach układu immunologicznego i ich reakcjach, a ten co to odkryje niewątpliwie zasłuży na Nobla w kilku dziedzinach.

Upośledzenia układu immunologicznego:

Zespoły niedoboru odporności mogą być pierwotne bądź wtórne.

• Pierwotne niedobory odporności to m.in.:

• Agammaglobulinemia

• Hipogammaglobulinemia

• Zespół DiGeorge'a

• Zespół Wiskotta-Aldricha

• Ciężki złożony niedobór odporności SCID

• Zespół nagich limfocytów

• Wtórne niedobory odporności to przede wszystkim: AIDS czyli zespół nabytego niedoboru odporności (ang. Acquired Immunodeficiency Syndrome)

• Choroby nowotworowe wywodzące się z komórek układu odpornościowego to chłoniaki

Immunoglobuliny - przeciwciała, białka surowicy i płynów ustrojowych syntetyzowane przez komórki układu immunologicznego (limfocyty B i plazmocyty). Białka posiadające zdolność swoistego rozpoznania antygenu i wiązania się z jego determinantami (determinanta antygenowa) poprzez antydeterminantę zlokalizowaną w obrębie fragmentu Fab. Wyróżniamy 5 klas immunoglobulin: IgG, IgA, IgM, IgD i IgE. Elementami strukturalnymi wszystkich klas są dwa rodzaje łańcuchów o budowie polipeptydowej i określonym ciężarze cząsteczkowym: ok. 50000 D - łańcuchy ciężkie oraz 20000 D - łańcuchy lekkie. Wszystkie immunoglobuliny zbudowane są z dwóch łańcuchów lekkich i dwóch ciężkich z tym, że IgM jest polimerem 5 takich podjednostek. Wyizolowane frakcje immunoglobulin znalazły zastosowanie w lecznictwie do uodparniania biernego (immunizacja) przeciw chorobom zakaźnym (odra, świnka - zapalenie przyusznicy nagminne, żółtaczka zakaźna - WZW B i A). Immunoglobuliny podaje się także w stanach nabytych lub wrodzonych niedoborów odporności (immunodepresja).

•Transport z zewnątrz i do wewnątrz komórki: (???)

Pęcherzyki transportujące przenoszą białka rozpuszczalne i błony między przedziałami

Ruch pęcherzyków między przedziałami syste­mu błon wewnętrznych odbywa się albo na zewnątrz komórki (transport anterogradowy = droga sekrecyjna, kończąca się wydzieleniem niesionych przez pęcherzyk białek na zewnatrz) albo też do wnętrza komórki (transport retrogradowy = droga endocytozy odpowie­dzialna za wchłanianie i degradację cząsteczek spoza komórki, prowadzi od błony komórkowej, do lizosomów).

Aby przeprowadzić swą funkcję właściwie, każdy pęcherzyk transportu­jący, który odpączkowuje z danego przedziału, musi zabrać ze sobą tylko białka odpowiednie dla przedziału docelowego i musi ulec fuzji tylko z od­powiednią błoną docelową. Na przykład, pęcherzyk niosąc cargo (ładu­nek) z aparatu Golgiego do błony komórkowej nie może przyjąć białek, które mają pozostać w aparacie Golgiego i może ulec fuzji tylko z błoną ko­mórkową, a nie z błoną jakiejkolwiek innej organelli. Biorąc udział w tym ustawicznym przepływie składników błonowych, każda organella musi za­chować swą własną odrębność, to jest swój własny wyróżniający skład bia­łek i lipidów. Wszystkie te procesy rozpoznawania się zależą od białek zwią­zanych z błoną pęcherzyków transportujących.

Pączkowaniem pęcherzyków kieruje układ białek opłaszczających

Pęcherzyki odpączkowujące z błon mają zazwyczaj na swojej cytozolowej powierzchni charakterystyczny płaszcz białkowy i dlatego nazwano je pęcherzykami opłaszczonymi. Po ukończeniu pączkowania płaszcz zosta­je utracony, co pozwala błonie pęcherzyka oddziaływać bezpośrednio z błoną, z którą ma się złączyć przez fuzję. Istnieje kilka rodzajów pęche­rzyków opłaszczonych, różniących się składem białkowego płaszcza. Uważa się, że płaszcz ma przynajmniej dwie funkcje: formuje bło­nę podczas tworzenia pęcherzyka i współdziałania przy wychwytywaniu czą­steczek, które mają być dalej transportowane.

Najlepiej zbadane są pęcherzyki, których płaszcz tworzy głównie białko klatryna; są to pęcherzyki okryte klatryną. Odpączkowują one zarówno z apara­tu Golgiego w skierowanej na zewnątrz drodze sekrecyjnej oraz z błony komórkowej w skierowanej do wewnątrz drodze endocytozy. Na przy­kład, przy błonie komórkowej każdy pęcherzyk powstaje początkowo ja­ko dołek oplaszczony klatryną. Cząsteczki klatryny układają się na cytozolowej powierzchni błony w rodzaj koszyka, który kształtuje błonę w pę­cherzyk. Wokół szyjki głęboko wpuklonej błony tworzy się pierścień z dynaminy, małego białka wiążącego GTP. Następnie dynamina hydrolizuje związany z nią GTP, co powoduje obciśnięcie pierścienia, a przez to oderwanie pęcherzyka od błony. W transporcie pęcherzyko­wym biorą również udział inne rodzaje pęcherzyków transportujących o odmiennych białkach opłaszczających. Powstają one w podobny sposób i przenoszą charakterystyczne dla siebie zestawy cząsteczek pomiędzy ER, aparatem Golgiego i błoną komórkową.

Sama klatryna nie odgrywa żadnej roli w wychwytywaniu specyficznych cząsteczek przeznaczonych do transportu. Funkcję tę w pęcherzykach opłaszczonych klatryną pełni odmienna klasa białek opłaszczających, o nazwie adaptyny, zarówno wiążących płaszcz z błoną pęcherzyka, jak i poma­gających w selekcji cząsteczek, które mają być transportowane. Cząsteczki przeznaczone do transportu (cargo = ładunek) mają specyficzne sygnały transportu, które są rozpoznawane przez receptory cargo, znajdujące się w błonie przedziału wyjściowego. Adaptyny pomagają w wychwyceniu określonych cząsteczek cargo przez przechwytywanie receptorów cargo i połączonych z nimi cząsteczek cargo. W ten spo­sób wyselekcjonowany zestaw cząsteczek ładunku, związanych ze swoimi specyficznymi receptorami, zostaje wprowadzony do wnętrza każdego no­wo powstającego pęcherzyka opłaszczonego klatryną.

Odmienna klasa pęcherzyków opłaszczonych, o nazwie pęcherzyki opłaszczone białkami COP, bierze udział w przenoszeniu cząsteczek po­między ER a aparatem Golgiego oraz między poszczególnymi strefami aparatu Golgiego.

•Organelle komórkowe i zasady wnikania do nich białek:

Organellom Liczba w komórce Procent objętości

• Cytosol 1 ~50%

• Mitochondria ~2000 ~20%

• Reticulum endoplazmatyczne 1 ~12%

• Jądro 1 ~6%

• Aparat Golgiego 1 ~3%

• Peroksysomy ~400 ~1%

• Lizosomy ~300 ~1%

• Endosomy ~200 ~1%

ORGANELLA	BUDOWA	FUNKCJE	PROKARIOTA
Jądro komórkowe	Otoczone podwójną błoną cytoplazmatyczną (karioleum), karioplazma -> nić DNA+ białka	Przechowuje informacje o funkcjach komórki, przekazuje informacje genetyczną komórkom potomnym (mitoza- mejoza)	brak; organella zastępcza- nukleotyd lub genofor
Mitochondrium	Otoczone podwójną błoną białkowo- lipidową. Błona wewnętrzna jest większa od zewnętrznej i tworzy grzebienie mitochondrialne, zawiera substancję koloidalną - MATRIX.	Oddychanie wewnątrzkomórkowe; C6H12O6+ 6CO2 6CO2+ 6H2O+ ATP	brak; organella zastępcza- mezosom
Chloroplasty, Plastydy	Otoczone podwójną błoną białkowo- lipidową, zawierają grana z chlorofilem. Leukoplasty magazynują substancje odżywcze.	Fotosynteza; 6CO2+ 6H2O C6H12O6+ 6O2	-
Cytoplazma	Półpłynna galaretowata koloidalna substancja wykazująca zdolność ruchu	Stanowi wewnętrzne środowisko komórki, w niej zawarte są organella komórkowe, w niej przebiegają reakcje biochemiczne komórki	gęsta, nie wykazuje zdolności do ruchu
Lizosomy	Pęcherzyki otoczone pojedynczą błoną cytoplazmatyczną, zawierają kwasy trawienne	Rozkład substancji złożonych do substancji prostych, rozkład obumarłych organelli	-
Aparat Golgiego	Stos spłaszczonych cystern i pęcherzyków	U roślin produkcja celulozy i pektyn oraz modyfikacja białek. Zawiera wydzieliny komórki	-
Siateczka śródplazmatyczna	System kanalików, pęcherzyków i cystern, otoczone pojedynczą błoną. Dzieli się na: -gładką -szorstką.	Funkcja transportowa Synteza lipidów Synteza białek	-
Wakuola Wodniczki pokarmowe, tętniące	Otoczona tonoplastem, zawiera sok komórkowy	Gromadzą wydaliny i wydzieliny (roś. alkaloidy, antocjany, flawony) Zajmują się trawieniem	wodniczki +
Błona komórkowa,	Zbudowana z dwóch warstw lipidów i zanurzonych w nich cząsteczkach białek	Oddziela komórkę od świata zewnętrznego, pełni funkcję transportową	+
Rybosomy	Zbudowane z dwóch podjednostek- mniejszej i większej, zawiera białka i rRNA	Zachodzi w nich synteza białek	małe +
Ściana komórkowa	W komórkach roślinnych z celulozy i pektyn oraz wosku, kutyny, skuberyny, ligniny	Chroni przed urazami mechanicznymi, parowaniem wody. Zapewnia sztywność roślinie.	mureina +

•Cytoszkielet

Cytoszkielet - sieć włóknistych struktur białkowych w komórce eukariotycznej, dzięki którym organelle i substancje nie pływają swobodnie w cytoplazmie, ale zajmują pewne przypisane sobie miejsca. Cytoszkielet tworzą włókienka (filamenty) aktynowe (mikrofilamenty) oraz mikrotubule zbudowane z innego białka, a mianowicie tubuliny. Filamenty aktynowe są strukturami statycznymi, zaś mikrotubule są tworami dynamicznymi, kurczącymi się i wydłużającymi.

• Mikrofilamenty aktynowe średnica 5-9 nm, elastyczność, wytrzymałość

• Mikrotubule średnica 25nm, sztywne, dynamiczne

• Filamenty pośrednie średnica 10nm

Szkielet komórki wcale nie jest sztywny, tylko elastyczny - potrafi się szybko przebudowywać zgodnie z potrzebami komórki.

Funkcje cytoszkieletu:

• nadawanie kształtu komórkom i utrzymywanie tego kształtu

• utrzymywanie prawidłowej struktury tkanek (jeśli naciśnie się na skórę, to komórki naskórka nie rozlatują się na wszystkie strony miedzy innymi dlatego, że cytoszkielet je usztywnia i łączy ze sobą)

• poruszanie się komórek (np. w pełzaniu komórek układu odpornościowego i w fagocytozie, czyli pożeraniu takich 'ciał obcych', jak bakterie i wirusy)

• skurcz mięśni

• udział w podziałach komórek (niektóre leki przeciwnowotworowe, np. taksol, niszczą szybko dzielące się komórki nowotworowe uniemożliwiając prawidłowe działanie cytoszkieletu)

• transport pęcherzyków i organelli przez cytoplazmę

• przekazywanie informacji między komórkami

• utrzymywanie polarności komórek

• ruch rzęsek i wici

• udział w apoptozie - genetycznie programowanym samobójstwie komórek.

•Białka motoryczne i ich rola

Białka motoryczne (białka kroczące, białka transportowe), rodzina białek enzymatycznych wykazująca zdolność do generowania ruchu dzięki hydrolizie ATP. Do generowania sił niezbędnych do zjawiska ruchu u organizmów żywych (tzw. motory molekularne) wykorzystywana jest energia chemiczna. Do białek motorycznych zaliczane są u komórek eukariotycznych: dyneiny, kinezyny i miozyny. Białka kroczące umożliwiają przemieszczanie poszczególnych składników cytoszkieletu takich jak mitochondria lub plastydy i innych organelli komórkowych. Białka motoryczne uczestniczą w tworzeniu wrzeciona podziałowego

Białka motoryczne

• Nadrodzina miozyn - aktyna

• Kinezyny - mikrotubule

• Dyneiny - mikrotubule

•Typy podziałów komórkowych -mitoza i mejoza

Większośćorganizmów eukariotycznych tworzona jest przez komórki diploidalne, niektóre niższe eukariota żyjąjako haploidy a komórki diploidalne pojawiająsięw nich podczas cyklu rozrodczego

Mitoza - proces podziału komórki, któremu towarzyszy precyzyjne rozdzielenie chromosomów do dwóch komórek potomnych. W jego wyniku powstają komórki, które dysponują materiałem genetycznie identycznym z komórką rodzicielską. Jest to najważniejsza z różnic między mitozą a mejozą. Podziały mitotyczne zachodzą w diploidalnych komórkach somatycznych i w ich rezultacie powstają inne diploidalne komórki somatyczne oraz w haploidalnych komórkach w wyniku czego powstają inne komórki haploidalne. Podziały mitotyczne są procesem nieustannie zachodzącym w organizmie, prowadzącym do jego wzrostu i regeneracji. Główne etapy, czyli fazy mitozy w komórkach Eukariotycznych:

Profaza

a. następuje kondensacja chromatyny

b. chromosomy zaczynają być widoczne

c. ujawnia się struktura chromosomu

d. chromatydy ulegają pogrubieniu, widać miejsce ich złączenia (centromer)

e. formuje się wrzeciono podziałowe

f. zanik jąderka

Metafaza

a. rozpad błony jądrowej ( w tym momencie rozpoczyna się Metafaza)

b. następuje przyczepienie wrzeciona podziałowego do centromerów

c. chromosomy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki, tworząc płytkę metafazową.

Anafaza

a. następuje rozdzielenie chromatyd siostrzanych, powstają chromosomy potomne (jest to właściwym początkiem Anafazy)

b. chromosomy potomne wędrują do przeciwległych biegunów komórki

c. podział organelli na równe zespoły

Telofaza

a. wokół skupisk chromosomów powstaje błona jądrowa

b. wyodrębniają się jądra potomne identyczne z jądrem rodzicielskim

c. chromosomy ulegają despiralizacji do chromatyny

d. dochodzi do cytokinezy ( czasami proces ten dokonuje się już w anafazie)

Mejoza - skrót: R! (R - od redukcji) - proces podziału komórki występujący u organizmów rozmnażających się płciowo. Polega na podziale komórki diploidalnej, w wyniku którego powstają 4 komórki haploidalne. Podziałowi mejotycznemu ulegają tylko komórki macierzyste gamet i zarodników (nie zaś same gamety i zarodniki). W przypadku królestwa protista wyróżnia się 2 rodzaje mejozy: mejozę pregamiczną (poprzedzającą powstanie gamet) oraz mejozę postgamiczną (następującą po powstaniu gamet). Pierwszy podział mejotyczny nazywany jest podziałem redukcyjnym (mejoza I), drugi zaś podziałem zachowawczym (mejoza II). Podczas mejozy zachodzą dwa sprzężone ze sobą podziały:

• mejotyczny

• podział o podobnym przebiegu do mitozy

Pomiędzy chromatydami skoniugowanych chromosomów następuje wymiana krótkich odcinków DNA, czyli crossing-over. Miejsca wymiany materiału genetycznego widoczne są jako węzły zwane chiazmami. Kompleks synaptemalny jest zwarty. Dosyntetyzowywane równe jest 0,3% DNA.

Przebieg mejozy I

Profaza I

wykształcenie się wrzeciona podziałowego, kondensacja chromatyny do chromosomów jest długa i składa się z 5 stadiów:

• leptoten - z chromatyny wyodrębniają się chromosomy

• zygoten - chromosomy homologiczne układają się w pary (koniugują ze sobą) tworząc biwalenty, liczba biwalentów stanowi połowę liczby chromosomów z leptotenu

na tym etapie kończy się mejoza u ssaków niepłodnych, np. u muła ze względu na brak chromosomów homologicznych

• pachyten - chromosomy dzielą się podłużnie na dwie chromatydy, w wyniku czego tworzą się tetrady (w jednej tetradzie znajdują się 4 chromatydy) chromosomy skręcają się i grubieją zachodzi crossing-over, czyli wymiana odcinków chromatyd chromosomów homologicznych

• diploten - pary chromatyd rozchodzą się, ale pozostają złączone w punktach zwanych chiazmami, Rozdzielenie chromosomów homologicznych tzw. desynapsis. Kompleks synaptonemalny ulega rozpuszczeniu. Każdy z biwalentów połączony jest poprzez jedną lub więcej chiazm. Intensywna synteza RNA i dekondensacja chromosomów.

• diakineza - zanika otoczka jądrowa i jąderka, zachodzi maksymalna spiralizacja chromosomów w biwalentach, tworzą się włókna wrzeciona kariokinetycznego chromosomy homologiczne połączone są chiazmami

Zmniejszenie syntezy RNA, kondensacja chromosomów (grubieją i oddalają się od otoczki jądrowej). Kinetochory każdego z dwóch chromosomów tworzących biwalent zlewają się ze sobą. Mikrotubule łączą kinetochor tylko z jednym centromerem. Chromatydy niesiostrzane pozostają połączone w chiazmach, których liczba systematycznie maleje.

Metafaza I

w metafazie I Podziału włókienka wrzeciona podziałowego przyłączają się do centromerów i układają się w całe biwalenty w płaszczyźnie środkowej komórki. Stopniowe skracanie włókienek wrzeciona podziałowego prowadzi do rozerwania biwalentów.

Anafaza I

rozejście się chromosomów homologicznych do przeciwległych biegunów wrzeciona podziałowego(kariokinetycznego). Zachodzi redukcja liczby chromosomów.

Telofaza I

zaniknięcie wrzeciona, odtworzenie otoczki jądrowej, powstanie dwóch jąder potomnych o liczbie chromosomów zredukowanej do połowy w stosunku do komórki macierzystej. Niektórzy twierdzą, że telofaza I nie zachodzi.

Przebieg mejozy II

Profaza II

kondensacja chromatyny do chromosomów, zanikanie otoczki jądrowej, formowanie wrzeciona

Metafaza II

układanie chromosomów w płaszczyźnie równikowej, połączenie centromerów z niciami białkowymi

Anafaza II

wrzeciono podziałowe kurczy się, centromery pękają, czego skutkiem jest oddzielenie się chromatyd.

Telofaza II

Odtworzenie otoczki jądrowej wokoło skupisk chromosomów potomnych - wyodrębnienie się jąder potomnych, despiralizacja chromosomów do chromatyny. Cytokineza - podział cytoplazmy.

W rezultacie mejozy I tworzą się 2 komórki haploidalne(1n), a kolejny podział, już bez redukcji materiału genetycznego, sprawia, że w wyniku całej mejozy z jednej komórki diploidalnej powstają 4 komórki haploidalne.

•Mechanizm i rola rekombinacji homologicznej w rozmnażaniu płciowym

Rekombinacją genetyczną nazywamy każdy proces, który prowadzi do powstania nowych kombinacji genów obecnych w komórce. Rekombinacja może być homologiczna albo niehomologiczna. Podczas rekombinacji homologicznej dochodzi do wymiany fragmentów DNA o podobnej (niekoniecznie identycznej) sekwencji nukleotydów. Tak właśnie wygląda crossing-over, czyli wymiana odpowiadających sobie odcinków chromosomów należących do tej samej pary homologicznej, zachodząca podczas mejozy. Zwracam uwagę, że chromosomy przechodzące crossing-over muszą należeć do tej samej pary homologicznej, a więc crossing-over nie może zajść pomiędzy dwoma dowolnymi chromosomami. Crossing-over może więc doprowadzić do wymiany odpowiadających sobie kawałków chromosomów należących do pary 20, ale wymiana fragmentów chromosomu pierwszego i dwudziestego to już nie jest crossing-over.

Druga wersja (rozszerzona):

Ogólnie rekombinację dzieli się najczęściej na homologiczną i niehomologiczną. Pierwsza jest wymianą fragmentów DNA między homologicznymi chromosomami, a więc wymianą pomiędzy identycznymi sekwencjami nukleotydowymi (często nazywana rekombinacją zlokalizowaną). Druga - rekombinacja niehomologiczna to przemieszczanie się dużych fragmentów DNA w pozornie przypadkowe miejsca w genomie (choć faktycznie są tam miejsca homologiczne do końców wbudowanego fragmentu). W tym miejscu można wspomnieć o transpozycji która właściwie nie jest rodzajem rekombinacji, natomiast jest oparta na jej mechanizmie.
Ogólnie o rekombinacji - mechanizm, prosty podział, transpozycja, - możesz poczytać „Genomach” Browna, czy nawet w „Biochemii” Stryera.

Osobiście radziłabym skupić się jednak na fakcie wykorzystania rekombinacji homologicznej w biologii molekularnej i biotechnologii. A najlepszym przykładem jest tworzenie zwierząt transgenicznych pozbawionych określonego genu, a więc nokaut genu (knockout).
W skrócie tworzenie takich zwierząt odbywa się na poziomie komórek embrionalnych (ES cells). Projektuje się odpowiednie wektory plazmidowe posiadające: pierwszy: sekwencje flanującą gen z lewej strony (sekwencja 5' czyli tzw. lewe ramie, ok. 5 kb długości) wraz z dodaną sekwencja loxP; drugi: sekwencja flankującą gen z drugiej strony genu (sekwencja 3' czyli tzw. prawe ramie, ok. 2 kb długości) wraz z dodaną sekwencja loxP. Słowo rekombinacja homologiczna pojawia się gdy modyfikujemy komórki embrionalne wprowadzając wektor (najczęściej metodą elektroporacji). Sekwencja znajdująca się na wektorze plazmidowym jest identyczna do sekwencji znajdującej się w genomie komórek ES (a więc sekwencji znajdującej się w pobliżu naszego genu który chcemy wyłączyć), dlatego też spodziewamy się ze rekombinacja zajdzie właśnie pomiędzy tymi odcinkami (zgodnie z def., choć w praktyce częstość zachodzenia takiej rekombinacji jest bardzo niewielka -kilka procent- dlatego wymaga to pracochłonnej, bardzo dokładnej analizy genomu (najlepszą metodą jest Southern blot), gdyż często nasze wprowadzane DNA może wbudować się w miejsca zupełnie przypadkowe).
Po zajściu właściwej rekombinacji homologicznej pomiędzy genomem komórek ES a obydwoma wektorami plazmidowymi otrzymujemy gen oflankowany z obu stron sekwencjami loxP. Po wprowadzeniu do komorek ES rekombinazy Cre nastąpi usunięcie genu, znów na drodze rekombinacji homologicznej pomiędzy 34-nukleotydowymi sekwencjami loxP. Zmodyfikowane komórki embrionalne wprowadza się do blastocysty metodą mikroiniekcji, a blastocysty implantuje do pseudociężarnych matek- biorczyń. Wykorzystanie rekombinacji homologicznej, a przede wszystkim rekombinacji wykorzystującej system Cre-loxP zrewolucjonizowało badania naukowe umożliwiając badanie funkcji genu poprzez jego wyłączenie, modyfikację, wprowadzenie w określone miejsce w genomie, znakowanie (- poprzez wprowadzenie sekwencji genów reporterowych jak GFP, lacZ, HA, FLAG) i wiele innych.

•Podstawowe zasady różnicowania komórek w trakcie rozwoju organizmu

Morfogeneza - jest to przekształcanie się komórek embrionalnych, tworzenie tkanek, organów, układów. W morfogenezie komórek istotną rolę odgrywa dynamiczne oddziaływanie mikrotubul wchodzących w skład cytoszkieletu z innymi składnikami cytoplazmy komórkowej.

Morfogeneza, przekształcenia prowadzące do osiągnięcia przez danego osobnika właściwej dla jego gatunku budowy i kształtu. U zwierząt wielokomórkowych odbywa się w okresie rozwoju zarodkowego lub rozciąga się na rozwój larwalny lub młodociany (u ssaków). Obejmuje procesy różnicowania się i przemieszczania komórek embrionalnych, tworzenie się z nich tkanek (histogeneza), układanie się ich w zawiązki narządów oraz dalszy rozwój ukształtowanych narządów (organogeneza). U pierwotniaków m. jest procesem powstawania odpowiednich dla gatunku organelli. Kształtowanie się narządów jest uwarunkowane genetycznie u każdego gatunku (w określonym miejscu zarodka powstaje tzw. pole morfogenetyczne, z którego dzięki udziałowi hormonów i enzymów rozwija się narząd).

Warunki różnicowanie się komórek (i organów roślin):

Biegunowość - ustalenie się dwóch określonych regionów na osi rośliny, różniących się morfologicznie i fizjologicznie i leżących na przeciwległych końcach osi

Korelacja - współzależność pomiędzy organami rośliny, czyli zdolność pewnej części rośliny do kierowania wzrostem lub rozwojem innej części

Komórka jajowa jest spolaryzowana:

• • region apikalny zawiera plastydy i jądro

• • region bazalny zawiera dużą wakuolę

Pierwszy podział jest polarny - asymetryczny; powstaje:

• • mała komórka apikalna

• • duża komórka bazalna

Z komórki apikalnej powstaje większa część zarodka.

Z komórki bazalnej powstaje wieszadełko.

Po ustaleniu polaryzacji komórki zarodek podlega zaprogramowanym procesom rozwojowym, które obejmują podziały oraz wydłużanie i różnicowanie się komórek.

Merystem wierzchołkowy pędu (SAM) powstaje między liścieniami.

Merystem wierzchołkowy korzenia (RAM) powstaje na biegunie przeciwnym

Semestr IV - elementy genetyki klasycznej i teorii ewolucji

• Glikozylacja białek

Glikozylacja - to proces dołączenia reszty cukrowcowej do innej cząsteczki, na przykład białka.

Glikozylacja białek zachodzi wewnątrz retikulum endoplazmatyczne ze względu na redukujący charakter cytoplazmy. Polega ona na przeniesieniu za pomocą enzymu transferazy glikozylowej drzewka cukrowowego z dolicholu (22 węglowy alkohol poliprenoidowy) na białko, które zostało dotransportowane do ER. Dzięki jednoetapowemu przebiegowi glikozylacji może ona być łatwo sterowana enzymatycznie i w przypadku błędów - poprawiana. Podczas glikozylacji powstaje wiązanie N-glikozydowe, najpopularniejsze dla połączeń białkowo-cukrowcowych.

Fizjologiczna rola glikozylacji:

•Modulowanie procesów rozwoju organizmu

•Regulowanie przekazywania sygnałów

•Modulowanie funkcji białek

•Sortowanie białek w komórce

•Usuwanie uszkodzonych białek

•Rozróżnianie komórek/białek własnych i obcych

• Genotyp, fenotyp, allele dominujące i recesywne, polimorfizm

Genotyp - jest to sparowany układ alleli (często myli się go z genomem, czyli składem genetycznym danego organizmu). Można go wyrazić symbolicznie za pomocą oznaczeń aa, AA lub Aa, gdzie aa i AA oznaczają homozygotę pod względem tego genu, a Aa oznacza heterozygotę.

Przykład: świnki morskie o genotypach BB i Bb są podobne fenotypowo, to znaczy obie mają czarną sierść. Po skrzyżowaniu świnki czarnej BB ze świnką brązową (homozygotą bb) otrzymuje się osobniki wyłącznie czarne (heterozygoty Bb). Jednakże po skrzyżowaniu heterozygotycznej świnki czarnej Bb z homozygotą recesywną bb otrzymuje się osobniki dwóch kolorów: czarne (Bb) i brązowe (bb).

Metoda krzyżowania z homozygotą recesywną jest najprostszą metodą badania genotypu. Jest to tak zwane krzyżowanie testowe, stosowane od dawna w hodowli zwierząt i roślin użytkowych.

Fenotyp - (gr. phainomai - przejawiać; typos - wzór, norma) to ogół uzewnętrzniających się cech morfologicznych, fizjologicznych i biochemicznych osobnika, np. wzrost człowieka. Cechy fenotypowe powstają na skutek działania różnych genów, częściowo modyfikowanego przez wpływ środowiska.

Allel dominujący - to allel, który ujawnia się w heterozygocie. To gen warunkujący cechę, która występuje zarówno w warunkach homozygotycznych jak i w warunkach heterozygotycznych. Allel dominujący maskuje działanie allelu recesywnego,co nie znaczy, że cecha warunkowana przez gen recesywny już się nie ujawni.

Allele mogą być dominujące (oznaczany zwyczajowo wielką literą i kursywą: A) lub recesywne (oznaczany: a). W heterozygocie efekt działania allelu dominującego sprawi, że obecność allelu recesywnego nie będzie manifestowała się (fenotyp dominujący). Obecność alleli recesywnych uwidacznia się tylko przy braku alleli dominujących. Allele mogą też być kodominujące, jak to jest w przypadku grup krwi.

Skąd się biorą allele:

•Błędy replikacji

•Mutageneza środowiskowa

•Rekombinacja

•Wędrujące geny: - Zdolne do zmieniania położenia w obrębie genomu

- Przenoszą się za pomocą mechanizmu rekombinacji

- Lub retrotranspozycji

- Uczestniczą w powstawaniu powtarzających się sekwencji

Polimorfizm - genowy oznacza występowanie różnorodnych odmian danego genu, co w konsekwencji może prowadzić do różnic w budowie białka kodowanego przez ten gen i powodować różnice w jego budowie i działaniu. Przykładem jest powszechnie znana podatność na działanie alkoholu etylowego wśród rasy azjatyckiej, związana z różnicą w budowie enzymu dehydrogenazy alkoholowej.

Polimorfizm funkcjonalny (gr. polys - wiele, morfe - kształt) - zjawisko występowania w obrębie populacji organizmów określonego gatunku (pomiędzy którymi zachodzi swobodny przepływ genów) odmiennych form różniących się funkcjonalnie lub strukturalnie. Polega na tworzeniu sie hierarchii i podziału funkcji w obrębie populacji. Zachodzi m. in. u mrówek, pszczół.

• Prawa Mendla

Prawa Mendla - to reguły przekazywania cech dziedzicznych. Zostały sformułowane w 1866 przez Grzegorza Mendla podczas jego badań nad krzyżowaniem roślin, głównie grochu zwyczajnego (Pisum sativum L.).

W uwspółcześnionej postaci, uwzględniającej naszą obecną wiedzę o chromosomach i genach, brzmią następująco:

1. Pierwsze prawo Mendla (prawo czystości gamet) - każda gameta wytwarzana przez organizm posiada tylko jeden gen z danej pary alleli. Wynika z tego, że każda komórka płciowa musi zawierać po jednym genie z każdej pary alleli.

2. Drugie prawo Mendla (prawo niezależnej segregacji cech) - geny należące do jednej pary alleli są dziedziczone niezależnie od genów należących do drugiej pary alleli.

Dziedziczenie barwy kwiatów u grochu Pisum sativum: P - pokolenie rodzicielskie, F1 - pierwsze pokolenie potomne, F2 - drugie pokolenie potomne, F3 - trzecie pokolenie potomne

Oczywiście, należy pamiętać, że w czasach Mendla nie wiedziano jeszcze nic o genach i sposobie, w jaki zorganizowany jest materiał dziedziczny w komórce. Mendel zatem nie użył określenia gen i allel, posługiwał się opisowym określeniem "czynnik dziedziczenia".[2][3]

Po skrzyżowaniu roślin rodzicielskich (P) o kwiatach czerwonych z roślinami o kwiatach białych stwierdził, że wszystkie kwiaty w 1 pokoleniu (F1) są czerwone. Mendel rozumował prawdopodobnie tak: każdy organizm zwierzęcy i roślinny jest najpierw zygotą, powstałą z połączenia dwóch gamet. Zygota ma zatem niejako dwoistą naturę, nosząc cechy zarówno "ojca", jak "matki". Podobnie zresztą, jak cały dorosły organizm. Skoro w pokoleniu wszystkie osobniki F1 mają dwoistą naturę (dziś powiedzilibyśmy, że są diploidalne), i wiadomo, że pochodzą od rożniących się barwą rodziców, ale tej dwoistości nie widać, bo wszystkie są czerwone, zatem czynnik czerwonej barwy musi być "silniejszy" i zagłuszać czynnik barwy białej. Nazwał go dominującym. Czynnik determinujący barwę białą określił mianem recesywnego. Aby pokazać te zależności prosto, oznaczył czynnik dominujący A, a czynnik recesywny a i wywiódł z tego, że pokolenie F1 składa się z osobników mających oba te czynniki; dziś powiedzielibyśmy: mających genotyp Aa.

Nie poprzestał jednak na jednym krzyżowaniu, skrzyżował bowiem następnie osobniki z pokolenia F1. W pokoleniu potomnym F2 uzyskał wprawdzie ok. 75% osobników czerwonych, ale pojawiły się też osobniki białe. To poniekąd zgadzało się z jego przewidywaniami. Po skrzyżowaniu roślin, tym razem z pokolenia F2, uzyskał pokolenie F3, w którym występowały kwiaty zarówno białe jak i czerwone, ale w zupełnie nowym stosunku. Okazało się, że 1/3 osobników czerwonych F2 dała potomstwo tylko czerwone, 2/3 osobników czerwonych F2 dało potomstwo czerwone i białe (w znanym stosunku 3:1), natomiast wszystkie białe kwiaty z pokolenia F2 wydały potomków kwitnących na biało.

• Aberracje chromosomowe

Aberracje (mutacje) chromosomów - to zmiany struktury chromosomów polegające na ich poprzecznym pękaniu i przemieszczaniu się powstałych odcinków, wywołujące dziedziczne zmiany cech organizmu. Aberracje chromatyczne powstają w sposób naturalny lub wskutek działania czynników zewnętrznych, np. promieniowania jonizującego lub nadfioletowego (można je też wywołać sztucznie). Wyróżnia się 4 kategorie aberracji chromatycznych: delecję, duplikację, inwersję i translokację.

• Dziedziczenie niemendlowskie -DNA pozachromosomalny

Dziedziczenie niemendlowskie - dziedziczenie cytoplazmatyczne, dziedziczenie pozachromosomowe związane z materiałem genetycznym zlokalizowanym poza chromosomami, w mitochondriach, plastydach i plazmidach występujących w cytoplazmie komórki; główne cechy d. c. to brak segregacji lub segregacja niemendlowska genów pozachromosomowych i dziedziczenie uniparentalne (po matce lub po ojcu); w czasie zapłodnienia udział gamet męskiej i żeńskiej w przekazywaniu cytoplazmy u wielu gatunków nie jest jednakowy, często cała cytoplazma pochodzi z komórki jajowej, w takiej sytuacji mitochondria i plastydy przekazywane są potomstwu przez matki; u drzew szpilkowych jednak cytoplazmę przekazuje także pyłek

Choroby związane z mutacjami w genomie mitochondrialnym sąprzekazywane przez matki.

Plazmid (DNA pozachromosomalny) - występujący u prokariotów jest niewielką, pozachromosomową cząsteczką DNA, która replikuje się niezależnie od chromosomu, a którego geny zwykle nie są obligatoryjne do życia komórki, ale mogą być przydatne, np. geny oporności na antybiotyki. Plazmid może być przenoszony w czasie koniugacji w obrębie gatunku oraz między komórkami różnych gatunków bakterii. Stwierdzono również przekazywanie genów plazmidowych na komórki eukariotyczne, czego przykładem jest bakteria Agrobacterium tumefaciens, która pasożytując na łodydze rośliny, przekazuje do jej komórek pewne fragmenty plazmidowego DNA, skutkiem czego na roślinie powstają narośla. Taki typ rozprzestrzeniania się informacji genetycznej to transfer genów (poziomy).

• Geny mitochondrialne, dziedziczenie mutacji DNA mitochondrialnego

mtDNA, DNA mitochondrialne - materiał genetyczny w postaci kolistego DNA znajdujący się w macierzy (łac. matrix) mitochondrium. Obecność DNA tłumaczona jest teorią endosymbiotycznego pochodzenia tych organelli. Pojednycze ludzkie mitochondrium zawiera 4-10 kolistych cząsteczek DNA o długości 16569 par zasad, z których każda koduje 37 genów. 13 z nich to geny kodujące białka, 22 kodują transferowe RNA (tRNA), a dwa ostatnie - rybosomalne RNA (rRNA). Białka kodowane przez mtDNA to część mitochondrialnych białek łańcucha oddechowego, jednak większość białek wchodzących w jego skład jest kodowana przez genom jądrowy. Kod genetyczny mitochondriów różni się od kodu genetycznego w genomie jądrowym. UGA (jądrowy kodon STOP) w mitochondriach oznacza tryptofan, AUA (izoleucyna) - metioninę, a AGA i AGG (arginina) są mitochondrialnymi kodonami STOP. Geny mitochondrialne nie zawierają intronów. Nici pojedynczej cząsteczki mtDNA są oznaczane jako H (ang. heavy - ciężka) i L (ang. light - lekka). Geny leżą na obydwu niciach. Na nici lekkiej transkrypcja rozpoczyna się z jednego promotora, a na nici ciężkiej z dwóch.

Mutacje w genach mitochondrialnych powodują choroby genetyczne, których objawy dotyczą głównie tkanek o największym zapotrzebowaniu energetycznym - mięśniowej i nerwowej. Choroby te mają charakterystyczny, matczyny wzór dziedziczenia. Ponadto zróżnicowanie mtDNA w poszczególnych mitochondriach i komórkach wpływa na nasilenie objawów choroby. Przykładami chorób związanych z mutacjami w genomie mitochondrialnym są: LHON - dziedziczna neuropatia wzrokowa Lebera, NARP - neuropatia obwodowa z ataksją i barwnikowym zwyrodnieniem siatkówki, MERF - padaczka miokloniczna z nieprawidłowymi czerwonymi włóknami mięśniowymi, zespół MELAS - encefalopatia mitochondrialna z kwasicą mleczanową i epizodami podobnymi do udaru mózgu, zespół Leigha. Szacuje się, że na choroby mitochondrialne zapada 1 na 15000 osób. Leczenie chorób mitochondrialnych jest objawowe.

Dziedziczenie genomu mitochondrialnego:

Różne mitochondria w tej samej komórce mogą zawierać różniące się od siebie cząsteczki mtDNA, nawet w pojedynczym mitochondrium nie wszystkie cząsteczki są jednakowe. Zjawisko to nazywa się heteroplazmią. Mitochondria wraz ze znajdującym się w nich mtDNA są przekazywane następnym pokoleniom wyłącznie w linii żeńskiej. U myszy zaobserwowano, że pochodzące od ojca mitochondria (wraz z zawartym w nich DNA) są niszczone we wczesnych fazach rozwoju zygoty. Podczas podziału komórki mitochondria rozdzielane są losowo do potomnych komórek.

• Chromosomy płciowe, dziedziczenie mutacji obecnych na chromosomie X

Chromosomy płci, heterosomy, allosomy - determinujące płeć chromosomy u rozdzielnopłciowych organizmów eukariotycznych. Płeć osobnika determinuje ich obecność lub ich liczba w stosunku do liczby autosomów.

U człowieka występują 22 pary chromosomów autosomalnych i jedna para chromosomów płci, która odpowiada za determinację płci. Łącznie kariotyp człowieka tworzą 23 pary chromosomów. Osobnik posiadający chromosomy XX jest płci żeńskiej, natomiast osobnik z jednym chromosomem X i jednym chromosomem Y - będzie płci męskiej. X jest większy od Y, i zawiera więcej genów. Y zawiera gen SRY determinujący płeć męską. Płeć determinowana jest zatem przez chromosom otrzymany od ojca. System XY występuje też u innych ssaków. U ptaków system determinacji płci jest odwrotny. Samice mają dwa różne chromosomy płci (ZW), a samce dwa jednakowe (ZZ). Płeć determinowana jest zatem przez chromosom otrzymany od matki. U muszki owocowej Drosophila melanogaster samice mają dwa chromosomy X, a samce chromosom X i chromosom Y, ale płeć osobnika zależy od stosunku liczby chromosomów X do autosomów. Niektóre z chorób genetycznych powstają poprzez mutacje w genach, znajdujących się w chromosomach płci (choroby sprzężone z płcią). Są to między innymi: daltonizm i hemofilia, powodowane mutacjami genów położonych na chromosomie X.

Mutacje w obrębie chromosomu X mogą prowadzić do zaburzeń rozwoju umysłowego (np. zespół łamliwego chromosomu X), powodować dystrofie mięśniowe czy daltonizm. Choroby takie ze względu na specyficzny sposób dziedziczenia określa się jako choroby sprzężone z płcią.

W przypadku wystąpienia monosomii chromosomu X, urodzi się dziewczynka z zespołem Turnera. Możliwa jest też trisomia chromosomu X, odnotowano również nieliczne przypadki kobiet z czterema lub pięcioma chromosomami X. Zwiększona liczba chromosomów X w kariotypie mężczyzny, np. XXY (u zdrowych mężczyzn występuje para XY) powoduje wystąpienie zespołu Klinefeltera. Mutacja w genie MECP2 na chromosomie X jest przyczyną zespołu Retta, jednej z najczęstszych przyczyn upośledzenia umysłowego u dziewczynek; u chłopców jest to wada letalna, prowadząca do śmierci w okresie życia płodowego.

• Imprinting - syndromy Angelmana i Prader-Willi

Imprinting genomowy - polega na różnym stopniu metylacji genów w komórkach jajowych i komórkach plemnikowych. Gen jest metylowany na allelu pochodzącym od jednego z rodziców. Nakładanie imprintingu zachodzi w czasie gametogenezy. Wtedy jest znoszony wzór metylacji odziedziczony po rodzicach i nakładany nowy, zależny od płci. Do zmetylowango nukleotydu nie mogą się przyczepić czynniki transkrypcyjne, co powoduje wyciszenie genu.

Zjawisko to pozwala zapobiegać partenogenezie, która jest możliwa u niewielkiej liczby gatunków (np. u pszczół) i powoduje zmniejszenie zmienności organizmów. Imprinting jest wynikiem konkurencji materiału genetycznego żeńskiego (przekazywanie genów, wychowanie potomstwa) i męskiego (odżywianie i rozwój zarodka).

Gdy z zygoty u myszy, przed zlaniem sie jąder komórkowych plemnika i komórki jajowej usuwamy przedjądrze męskie i wprowadzamy żeńskie, to zarodek zamiera na skutek niedorozwoju zarodka, a gdy usuwamy przedjądrze żeńskie i wprowadzamy męskie - zarodek zamiera na skutek niedorozwoju trofoblastu.

Przykładowo imprintingowi ulegają geny Igf2 - gen na insulinopodobny czynnik wzrostu; pracuje głównie w macicy, ale niezmetylowany jest allel ojcowski oraz H19 - gen, który wycisza ekspresję Igf2 i ustala się równowaga w rozwoju zarodka między genomem męskim i żeńskim.

Konsekwencje zaburzeń imprintingu:

• zaśniad groniasty (nowotwór embrionalny; 2n pochodzi tylko od ojca, powstaje np. w wyniku polispermii, a materiał genetyczny od matki jest eliminowany);

• potworniak jajnika;

• zespół Pradera-Williego i zespół Angelmana. Oba powstają w wyniku zaburzeń imprintingu fragmentu chromosomu 15 (15q11) - brak imprintingu ojcowskiego powoduje zespół Pradera-Williego, a brak imprintingu matczynego zespół Angelmana.

• Dziedziczenie wzorców zachowań

Genetyka zachowań

•Determinizm socjologiczny, genetyczny czy jeszcze inny?

Freud -determinizm rodzicielski, obecnośćpodświadomości

Karl Marks -determinizm socjo-ekonomiczny

Margaret Mead -determinizm kulturowy

kultury o różnej dominacji płci

Burrhus Skinner -determinizm bodźcowy

(behawioryzm)

Behawioryzm

•Wszystkie zachowania wywodząsięz konstrukcji opartych na prostych odpowiedziach na bodźce, których organizm doświadcza od najwcześniejszych etapów rozwoju

•Bodźce wywołująodpowiedzi tylko wtedy kiedy mająjakąśwartość(negatywne, pozytywne)

•Nie istniejąpotrzeby wrodzone

•Transposony, budowa i funkcjonowanie

Transpozon - to sekwencja DNA, która może przemieszczać się na inną pozycje w genomie tej samej komórki w wyniku procesu zwanego transpozycją. Transpozycja powoduje mutacje i może zmieniać ilość DNA w genomie. Transpozony są także nazywane "skaczącymi genami" (ang. jumping genes) oraz "mobilnymi elementami genetycznymi" (ang. mobile genetic elements). Za badania nad transpozonami u kukurydzy powodującymi zmiany ubarwienia nasion Barbara McClintock otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie Fizjologii i Medycyny w roku 1983.

Rozróżniamy dwie klasy transpozonów:

• transpozony klasy I: retrotranspozony (ang. retrotransposons). Wymagają przepisania z DNA na RNA, a następnie przy użyciu odwrotnej transkryptazy (ang. reverse transcriptase) zostają skopiowane na DNA, wreszcie wklejone do genomu, niekiedy w wielu kopiach.

• transpozony klasy II. Przemieszczają się w genomie poprzez wycinanie z pierwotnego położenia, następnie "wklejanie się" w nowe miejsce przy użyciu enzymu transpozazy.

Istnieje hipoteza, że transpozony są po prostu dawnymi wirusami, które utraciły geny odpowiedzialne za zjadliwość. Transpozony nigdy bowiem nie występują poza komórką, jako zdolne do infekcji chorobotwórczych.

Zastosowania: Zdolność transpozonów do aktywnego wbudowywania się w genom wykorzystuje współczesna biologia molekularna, inżynieria genetyczna i biotechnologia. Geny zawarte w transpozonie można bowiem zastąpić innymi, wykorzystując transpozon jako wydajny wektor. Transpozon może też zostać użyty jako sonda molekularna do lokalizowania poszukiwanych sekwencji DNA.

• Transgeny i organizmy transgeniczne:

Transgen to gen wprowadzony do komórki na drodze transformacji.

Wehikułem do wprowadzania tych genów do komórek jest wektor, którego centralną część stanowi transgen („obcy gen"), który zamierzamy do tego organizmu wprowadzić, jednak samego nagiego genu nie jesteśmy w stanie wprowadzić. Musimy wyposażyć go w dodatkowe elementy:

• Promotor: Kontroler funkcjonowania tego genu (niezbędny żeby ten gen skutecznie działał).

• Terminator: Odpowiedzialny za to żeby czytanie tego genu też się skończyło we właściwym miejscu.

• Marker: Element selekcyjny. Procedura wprowadzania genów do komórek jest statystyczna. Ponieważ nie do każdej udaje się go wprowadzić ze 100% wydajnością musimy w jakiś sposób odróżnić komórki, które ten gen pobrały od pozostałych. W tym celu wyposażamy transgen w dodatkową właściwość, która tkwi w markerze. Komórka która wchłonęła transgenu staje się odporna na antybiotyk (antybiotyk jest to substancja która niszczy komórki). W momencie poddania komórek na działanie antybiotyku przeżyją tylko te, które tą odporność posiadają. Dokonujemy więc selekcji odrzucając te które nie poddały się zmianie.

Organizmy Modyfikowane Genetycznie - GMO (z ang. Genetically Modified Organism) - Organizmy Transgeniczne - są to organizmy które zawierają w swoim genomie (czyli informacji genetycznej organizmu) obce geny, pochodzące z obcego organizmu. Dziedziną nauki zajmującą się modyfikacjami organizmów jest inżynieria genetyczna - umożliwia wyizolowanie i namnożenie dowolnego genu z dowolnego organizmu i za pomocą różnych metod wprwadzenia go do genomu modyfikowanego organizmu.

• Gene targeting -wykorzystanie mechanizmu rekombinacji homologicznej

Gene targeting - wykorzystanie mechanizmu rekombinacji homologicznej umożliwia wprowadzenie zmian genu w dokładnie określonym miejscu.

ZWIERZĘTA Z USUNIĘTYM GENEM („knock-out”; „gene targeting”):

• wprowadzanie przez mikroiniekcję lub elektroporację do pierwotnych komórek zarodkowych („ES cells-embryo-derived stem cells”) wektora z dużym obszarem homologii do usuwanego genu oraz markerami selekcyjnymi;

• przeszukiwanie i/lub wzbogacanie (selekcja) „ES cells”;

• iniekcja do jamy blastocysty;

• wprowadzenie do macicy matki zastępczej;

• krzyżowanie uzyskanej chimery;

• 1989 rok -pierwsze doniesienie o usunięciu genu u myszy.

Komórki macierzyste - Komórka macierzysta to komórka posiadająca zdolność do samoodnawiania oraz różnicowania w komórki potomne. Pula komórek macierzystych utrzymuje w równowadze liczbę komórek somatycznych organizmu. Wyróżnić można wiele rodzajów komórek macierzystych, różniących się potencjałem proliferacyjnym oraz zdolnością do różnicowania. Za najbardziej prymitywną komórkę macierzystą można uznać zygotę - komórka totipotencjalna. Podczas embriogenezy z totipotencjalnej komórki macierzystej powstaje embrion i łożysko. Komórki węzła zarodkowego blastocysty są pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi. Komórki pluripotencjalne dają początek komórkom macierzystym poszczególnych trzech listków zarodkowych (entodermalne, mezodermalne, endodermalne) - komórki multipotencjalne. Podczas embriogenezy z komórek multipotencjalnych powstają komórki macierzyste poszczególnych tkanek i narządów - ukierunkowane tkankowo komórki macierzyste (naskórek, wątroba, mięśnie, krew, nerwy i inne).

• Klonowanie organizmów:

1. DNA donorowy poddaje się trawieniu enzymem restrykcyjnym. Tym samym enzymem

restrykcyjnym lub enzymem zostawiającym identyczne lepkie końce przecina się wektor.

- W przypadku klonowania fragmentu DNA uzyskanego w reakcji PCR miejsce trawienia enzymem restrykcyjnym wprowadza się poprzez dodanie odpowiedniej sekwencji do starterów.

- Trawienie DNA genomowego w celu wytworzenia banku genów jest omówione w rozdz. 2.4.

- Jeżeli celem klonowania jest przeniesienie fragmentu DNA z jednego wektora na drugi, po strawieniu zrekombinowanego wektora zwykle izoluje się wstawkę DNA poprzez elektroforezę w żelu.

2. Przeprowadza się ligację wektora z fragmentami donorowego DNA. Aby zapobiec cyrkularyzacji wektora przed ligacją można usunąć grupy fosforanowe obecne na końcach 5' liniowego plazmidu, niezbędne w procesie ligacji, przy użyciu fostatazy. Po defosforylacji jedynie wektor z dołączoną wstawką może ulec cyrkularyzacji. Reakcja defosforylacji nigdy nie zachodzi ze stuprocentową wydajnością. Po ligacji powstają zatem trzy klasy kolistych cząsteczek: odtworzony pusty wektor, zamknięte w kółko fragmenty donorowego DNA i wektor ze wstawką (czyli plazmid zrekombinowany).

3. Kolejnym etapem klonowania jest transformacja, czyli wprowadzenie DNA do komórek

bakterii.

- Bakterie muszą być odpowiednio przygotowane na przyjęcie DNA - muszą być kompetentne. Komórki E. coli uzyskują kompetencję między innymi po potraktowaniu jonami wapnia w niskiej temperaturze (4oC), a następnie poddaniu szokowi cieplnemu (w temp.37oC-42oC). Wniknięcie DNA do komórki bakteryjnej można również uzyskać przeprowadzając elektroporację, czyli zastosowanie silnego impulsu elektrycznego uszkadzającego błonę komórkową.

- Po transformacji bakterie wysiewa się na odpowiednie podłoże selekcyjne. Selekcja opiera się na obecności w wektorze genu markerowego, który nadaje transformatom określony fenotyp, np. oporność na antybiotyk (patrz poniżej). Transformanty rosnące na podłożu selekcyjnym będą zawierały pusty wektor albo wektor ze wstawką. Zasada klonowania opiera się na założeniu, że do jednej komórki bakteryjnej wnika tylko jedna cząsteczka plazmidu. Potomstwo takiego transformanta to klon, z którego, po jego namnożeniu, można wyizolować DNA plazmidowy.

- Na przedstawionym schemacie w przypadku DNA genomowego każdy zrekombinowany plazmid zawiera inną wstawkę. Jeżeli uzyskamy dostateczną liczbę klonów niosących zrekombinowane plazmidy, tak aby zawarte w nich wstawki reprezentowały cały genom, mówimy że klony te stanowią bank genomowego DNA (lub bank genomowy lub bibliotekę genomową) danego organizmu (patrz rozdz. 2.4).

4. Ostatnim etapem klonowania jest wyszukanie pojedynczego klonu zawierającego zrekombinowany plazmid z interesującym nas fragmentem DNA.

- Zwykle stosuje się wektory umożliwiające rozróżnienie plazmidu zrekombinowanego od niezrekombinowanego.

- W przypadku klonowania pojedynczego fragmentu DNA większość klonów zrekombinowanych zawiera odpowiednią wstawkę DNA, co potwierdza się poprzez sporządzenie mapy restrykcyjnej plazmidu wyizolowanego z transformantów albo reakcji PCR gdzie matrycą jest całkowity DNA w lizacie z bakterii.

- Strategie wyszukiwania odpowiedniego klonu z banku genów są bardzo różnorodne i opierają się na przykład na komplementacji mutacji i hybrydyzacji

•Mutageneza eksperymentalna:

mutageneza [łac.-gr.], genet. powstawanie i utrwalanie się mutacji w DNA komórek lub RNA wirusów; może być wynikiem samorzutnych błędów w procesach → replikacji DNA i reperacji DNA (m. spontaniczna), a także efektem działania → mutagenów uszkadzających DNA.

---