1. GENETIKA

Znanost o nasljeđivanju

Najveći uspjesi u biologiji u proteklom mileniju pripisuju se razjašnjavanju mehanizma nasljeđivanja

Nasljeđivanje je vjerojatno najčudniji fiziološki proces; organizmi “čuvaju”uputu za stvaranje novih članova svoje vrste u gametama, ta se uputa prenosi tijekom oplodnje u zigotu iz koje se razvija novi organizam

Još su stari Grci bili zaintrigirani ovim čudesnim fenomenom: tako Hipokrat zamišlja da se nasljedne čestice sakupljaju u tijelu odrasle jedinke te se oblikuju iskustvom; Aristotel pak vjeruje da je nasljedna uputa stalna i nasljeđuje se u gamete

Posljednjih 200 godina razjašnjena je u potpunosti priroda nasljeđivanjaBiologija 21. stoljeća – informatička znanost

1.1. POVIJESNI PRIKAZ NEKIH VAŽNIH OTKRIĆA

1865. Gregor Mendel – principi nasljeđivanja1900. De Vries, von Tchermak, Correns1902. Sutton – kromosomska teorija nasljeđivanja1910. Thomas H. Morgan – rad sa vinskom mušicom1928. Griffith – otkriće transformirajućeg principa1944. Avery i sur. – DNA je nasljedni materijal1952. Rosalind Franklin – rendgenska kristalografija DNA1953. Watson i Crick – otkriće strukture DNASredina 60-tih – otkriće genskog koda1969. Izoliran prvi bakterijski gen1972. Počeci genetičkog inženjerstva1976. Osnovana prva biotehnološka kompanija u SAD1986. Lociran gen za Hungtington-ovu bolest1986. Počeci kartiranja humanog genoma1990. Započinje projekt humanog genoma1995. Objavljen genom bakterije H. influenzae1996. Kompletan genom kvasca1997. Genom prvog višestaničnog organizma – oblić

2000. Završena prva faza kartiranja humanog genoma

2000. Završena prva faza kartiranja humanog genoma

2000. Genom Arabidopsis thaliana (26.000 gena)

2000. Genom vinske mušice (13.600 gena)

2002. Genom riže (30.000-50.000 gena) …..

2001. objavljena je skica sljedova humanog genoma koju su napravile dvije nezavisne istraživačke skupine: International Human Genome SequencingConsortium i Celera Genomics

2003. kompletiran humani genom (30.000 – 40.000 gena od prvobitne procjene 100.000; najnovija istraživanja pokazuju da ljudski genom čini manji broj od 25.000 gena) (www.genomics.energy.gov: Human Genome Project Information)

1.2. POČECI GENETIKE

1900. prihvaćen Mendelov rad; na njegovu vrijednost ukazali neovisno biolozi De Vries, Correns i von TchermakTek nakon toga je znanstvena zajednica bila spremna prihvatiti Mendelove rezultate zbog potrebe povezivanja nasljeđivanja sa citološkim saznanjimaDarwinova teorija evolucije (Charles Darwin, "On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races the Struggle for Life" 1859) također je zahtijevala objašnjenje izvora genetičke varijabilnosti, glavnog materijala prirodne selekcijePrije 1860. – otkriće svjetlosne mikroskopije; 1665. – Robert Hook uvodi termin stanica za prazne stanice pluta promatrane pod povećanjem mikroskopa od 30x1674-1683 – Anton van Leeuwenhoeck otkrio praživotinje i bakterije u kapljici kiše1833. – Robert Brown otkrio jezgru stanice1835-1839 – Hugo von Mohl opisao mitozu1858. – Rudolf Virchow sumirao koncept stanične teorije sa omnis cellula e cellula; sve stanice potječu od stanica pretečaDo 1900. godine – prevladavalo mišljenje o miješanom nasljeđivanju Mendelov rad daje novi pristup – individualno nasljeđivanje; nasljedni materijal čine čestice, svaki roditelj daje svom potomku jednu od dvije čestice, a one pri tome ne gube svoj identitet

GENETIKA (grčki genno = roditi, stvoriti) = ZNANOST O NASLJEĐIVANJU

NASLJEĐIVANJE (lat. heres) = proces koji dovodi do sličnosti između roditelja i potomaka; spolnim razmnožavanjem jedne vrste nastaju uvijek potomci te vrste (“like begets like”)

Povijesno gledajući genetiku dijelimo u tri dijela:

KLASIČNA ILI MENDELOVA – kromosomska teorija nasljeđivanja (CITOGENETIKA)MOLEKULARNA – struktura, prijenos i funkcija nasljedne tvariEVOLUCIJSKA – proučavanje mehanizama evolucijske promjene na temelju analize frekvencije gena u populaciji (POPULACIJSKA)

1903. Walter Sutton – ponašanje kromosoma za vrijeme mejoze objašnjava Mendelove principe nasljeđivanja; geni su dijelovi kromosoma; kromosomska teorija nasljeđivanja1909. William Bateson prvi upotrijebio riječ GENETIKA za novu granu biologije započetu 1900. godine1909. Johannsen uvodi termin GEN 1913. Alfred Sturtevant – prva genetička karta vinske mušice; geni su poredani jedan iza drugoga na kromosomu1927. Stadler i Muller pokazali da X-zračenje inducira gensku mutaciju1944.-danas: era molekularne genetike1944. Avery i sur. dokazali da je molekula DNA nositeljica genetičke upute1953. Watson i Crick otkrili strukturu DNA1968-1973 Arber, Smith i Nathans sa kolegama otkrili restrikcijske endonukleaze, enzime koji omogućavaju manipulaciju genima – era rekombinantne DNA tehnologije1972. Paul Berg stvara prvu rekombinantnu molekulu

1.3. GENI, DNA I KROMOSOMI

Potomci nasljeđuju od roditelja kodiranu informaciju u obliku nasljednih jedinica koje nazivamo GENIMAGeni su građeni od molekule DNA – polimer sastavljen od 4 različita monomera koje nazivamo nukleotidima (Slika 1.1.)Molekula DNA je dvolančana molekula koju čine dva polinukleotidna lanca omotana oko zamišljene osi u zavojnicu (Slika1.2.)Nasljeđivanje ima kemijsku osnovu u replikaciji DNA pri čemu nastaju kopije gena koje se prenose s roditelja na potomkeStanični prenosioci gena su gamete (jajna stanica i spermij), a geni roditelja se kombiniraju u jezgri oplođenog jajeta (zigoti)Fizička osnova nasljeđivanja (prijenos gena s roditelja na potomke) ovisi o ponašanju kromosoma za vrijeme spolnog razmnožavanja (mejoza!)

Slika 1.2. Molekula DNA je dvostruka zavojnica

Slika 1.1. Nukleotid je građen od šećera deoksiriboze, fosfatne skupine i baze (purinske: adeninili gvanin i pirimidinske: citozinili timin)

Struktura nukleotida

Fosfat Baza

Šećer

Purin Pirimidin

Purin

Adenin Timin

Citozin

Timin Adenin

Citozin

Gvanin

Gvanin

Mali utor

Purin Pirimidin

Veliki utor

Struktura nukleotida

Fosfat Baza

Šećer

Deoksiriboza Riboza

Šećeri

Baza u RNA, umjesto timina

Dušične baze

Purin Pirimidin

Adenin (A) Gvanin (G)

Timin (T) Citozin (C)

Uracil (U)

1.4. SPOLNO I NESPOLNO RAZMNOŽAVANJE

Sve jedinke nastale nespolnim razmnožavanjem genetički su identične i predstavljaju KLON (varijabilnost?)

Spolno razmnožavanje daje varijabilnost – potomci nastali spolnim razmnožavanjem genetički se razlikuju od svoje braće i od roditelja

Razlog? – ponašanje kromosoma tijekom spolnog ciklusa, odnosno za vrijeme mejoze (Slike 1.3.-1.5.)

Procesi mejoze i oplodnje jedinstveni su zaštitni znak spolnog razmnožavanja

pahiten

Par homolognihkromosoma

Izmjena genetičkog materijala – krosing-over

Bivalenti u ekvatorijalnoj ravnini

Razdvajanje homolognihkromosoma

Mejoza I – redukcijska diobaSlika 1.3.

Profaza I Metafaza I Anafaza I Telofaza I

Mejoza II – ekvacijska dioba (kao mitoza)

Između mejoze I i II nema udvostručavanja DNA

Slika1.4.

Profaza II Metafaza II Anafaza IITelofaza II

Mejoza I –redukcijska dioba

Mejoza II –

Ekvacijska dioba

Slika 1.5. Mejoza - pregled

Dvostruki kromosomSestrinska kromatida

Sestrinska kromatida

Centromer

Centromer

kromatida

Mejoza I

(redukcijska dioba)

Mejoza II

(ekvacijskadioba)

Jednostruki kromosom –jedna kromatida

Dvostruki kromosom – dvije sestrinske kromatide

1.5. ŽIVOTNI CIKLUSI

Životni ciklusi svih organizama koji se spolno razmnožavaju pokazuju osnovni model izmjene diploidne i haploidne fazeOvisno o duljini trajanja ovih dviju faza razlikujemo 3 životna ciklusa:

HAPLOIDNI (neke gljive, alge, praživotinje) (Slika 1.6.a.)HAPLOIDNO-DIPLOIDNI(izmjena generacija) (Slika 1.6.b.)DIPLOIDNI (sisavci) (Slika 1.6.c.)

Slika 1.6.b.

Slika 1.6.a.

Slika 1.6.c. Diploidni životni ciklus: organizam diploidan; haploidne gametenastaju mejozom u spolnim žlijezdama; oplodnjom nastaje diploidna zigotaiz koje se mitozama razvija novi organizam

Slika preuzeta sa: https://eapbiofield.wikispaces.com/Lab+3+MIitosis+and+Meiosis

Haploidne gamete (n)

Jajna stanica Spermij

Oplodnja

Mejoza

Diploidnazigota

Mitoza i razvitak

Višestanični diploidniorganizam (2n=46)

U organizama koji se spolno razmnožavaju tri su glavna izvora genetičke varijabilnosti:

Slučajna orijentacija homolognih kromosomskih parova u mejozi I

Slika preuzeta sa: http://preuniversity.grkraj.org/html/9_GENETICS.htm

ILI

Krosing-over između homolognih kromosoma u mejozi I

Slučajna oplodnja

Originalna kombinacija alela

Krosingover

Nova kombinacija alela

VARIJABILNOST – različitost među jedinkama iste vrste; ima 2 uzroka: unutarnji (čimbenici koji uzrokuju nasljednost; geni) i vanjski (okoliš)

Ponekad je nemoguće reći koja je karakteristika nasljedna, a koja je posljedica utjecaja okoliša što posebno vrijedi kada su razlike među jedinkama vrlo male i kada je varijabilnost u populaciji stalna (npr. inteligencija)

Kada su razlike među jedinkama velike (npr. patuljci, polidaktilija) tada možemo govoriti o nasljednoj varijabilnosti

1.6. SAŽETAK

Genetika je znanost o nasljeđivanju

Predmeti proučavanja genetike su: prijenos, struktura i djelovanje nasljedne tvari

Istraživanja u genetici provode se na svim razinama biološke organizacije, od molekula i pojedinačnih stanica do jedinki i grupajedinki u populaciji